SOLVARMEANLÆG TIL SVØMMEBADE

Transkript

1 KANDIDATSPECIALE BYGGETEKNOLOGI DTU, LYNGBY SOLVARMEANLÆG TIL SVØMMEBADE SOLAR HEATING FOR SWIMMING POOL FACILITIES AF: CHRISTIAN JØNS NIELSEN S JESPER JØNS NIELSEN S042454

2 Indholdsfortegnelse Forord... 5 Læsevejledning... 6 Resumé... 7 Abstract Indledning Beskrivelse og analyse af solfangere Plane solfangere uden dæklag Plane solfangere med dæklag Vakuumrørsolfangere Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K ϴ Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for plane solfangere Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for vakuumrørsolfangere Type 1 Vakuumrørsolfangere Type 2 Vakuumrørsolfangere Type 3 Vakuumrørsolfangere Type 4 Vakuumrørsolfangere Forholdet D/X s påvirkning af K t Type Type Type Type Sammenligning af solfangere Generelle retningslinjer for svømmehaller Øbrohallen I dag styring af bassiner og luft Beregningsforudsætninger Svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin

3 5.5 Spabassin PolySun Varmetab i cirkulationsrør Varmetab i cirkulationsrør til bruservand Varmetab i cirkulationsrør til Spabassin Varmetab i cirkulationsrør til relaxbassin Varmetab i cirkulationsrør til babybassin Styringsstrategier Styringsstrategi Styringsstrategi Styringsstrategi Dimensionering af referenceanlæg Solfangerareal Orientering Bestemmelse af volumenstrøm Høj volumenstrøm Lav volumenstrøm Bestemmelse af rørdimensioner Rørlængder Rørlængder i solfangerkreds for styringsstrategi 1 og Rørlængder i solfangerkreds for styringsstrategi Bestemmelse af størrelse på kedler til bassiner Bestemmelse af kedelstørrelse til svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Dimensionering af varmtvandstank Varmtvandsforbrug Størrelse af tank Dimensionering af varmevekslere til kedler Varmevekslere i solfangerkreds

4 7.10 Oversigt over referencesystem Kontrol af styringer Styringsstrategi Styringsstrategi Styringsstrategi Valg af styringsstrategi for plane solfangere Resultater med styringsstrategi Resultater med styringsstrategi Resultater med styringsstrategi Sammenligning af styringsstrategier for plane solfangere Valg af styringsstrategi for vakuumrørsolfangere Resultater med styringsstrategi Resultater med styringsstrategi Resultater med styringsstrategi Sammenligning af styringsstrategier for vakuumrørsolfangere Sammenligning af plane solfangere Sammenligning af vakuumrørsolfangere Type 1 vakuumrørsolfangere Type 2 vakuumrørsolfangere Type 3 vakuumrørsolfangere Type 4 vakuumrørsolfangere Sammenligning af typer Bruttoydelse for plane solfangere uden dæklag Sammenligning af vakuumrørsolfanger og plan solfanger Parameteranalyse plan solfanger Optimering af flow i solfangerkreds Optimering af hældning på solfangere Optimering af isolering af udendørs rør Fremløbsrør Returløbsrør Optimering af temperatur differens i forbindelse med aktivering og deaktivering af pumpe Optimering af flow på sekundærside af varmevekslere

5 15.6 Optimering af varmevekslere Parameteranalyse vakuumrørsolfanger Optimering af flow i solfangerkreds Optimering af hældning på solfangere Optimering af isolering af udendørs rør Fremløbsrør Returløbsrør Optimering af temperatur differens for start og stop af pumpe Optimering af flow på sekundærside af varmevekslere Optimering af varmevekslere Dimensionering af pumpe i solfangerkreds Dimensionering af pumpe i solfangerkreds med vakuumrørsolfanger Dimensionering af pumpe i solfangerkreds med plan solfanger Dimensionering af øvrige pumper Oversigt over optimerede solvarmeanlæg Oversigt over det optimerede solvarmeanlæg med plan solfanger Oversigt over det optimerede solvarmeanlæg med vakuumrørsolfanger Økonomisk vurdering af anlæg Økonomisk vurdering af Winkler Variosol A-antireflex Økonomisk vurdering af RZ Solartechnik DF Økonomisk optimering af anlæg Sammenfatning og diskussion Konklusion Referencer Nomenklatur

6 Forord Denne rapport er udarbejdet af Jesper Jøns Nielsen og Christian Jøns Nielsen. Rapporten er udarbejdet som speciale i forbindelse med afslutningen af civilingeniøruddannelsen inden for byggeretningen ved Danmarks Tekniske Universitet. Arbejdet er påbegyndt i februar 2010 og afsluttet i august samme år. Der skal lyde en særlig tak til Simon Furbo og Elsa Andersen, som har bistået med råd og vejledning undervejs i hele processen. 5

7 Læsevejledning I det følgende defineres en række udtryk, som kræver en klar definition for den rette forståelse af rapportens indhold. Ved bruttoydelse eller blot ydelse skal forstås den mængde energi af solens stråler, som solfangerne overfører til solfangervæsken. Ved nettoydelse skal forstås den mængde energi, der spares ved at solvarmeanlægget er installeret. Denne beregnes således som det totale energiforbrug minus den totale tilførte energi fra de supplerende varmekilder. Ved solfangerens transparente areal, menes det areal af solfangeren, som er i stand til at overføre energien fra solens stråler til solfangervæsken. Når begrebet plane solfangere anvendes uden nærmere angivelse af dæklag, menes plane solfangere med dæklag. Omtales plane solfangere uden dæklag vil dette således altid være klart angivet. 6

8 Resumé En lang række solfangere er vurderet og analyseret i forbindelse med et solvarmeanlæg til svømmehallen, Øbrohallen, beliggende på Østerbro i København. Såvel plane solfangere som vakuumrørsolfangere er blevet analyseret. Foruden de enkelte solfangere er der foretaget analyse på tre forskellige måder at styre solvarmeanlægget på. Dette er gjort, da det formodes, at selve styringen af solvarmeanlægget er af afgørende betydning for den samlede ydelse. De tre styringsmetoder er alle blevet implementeret i simuleringsprogrammet, Polysun, som er benyttet til at foretage beregningerne af solfangernes årlige ydelser. Beregningerne viser, at den solfanger, som giver den bedste ydelse, er den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex, der giver en årlig nettoydelse på kwh for et bruttosolfangerareal på 245 m 2. Den bedste vakuumrørsolfanger er solfangeren med navnet RZ Solartechnik DF 120-6, som opnår en årlig nettoydelse, der er godt kwh mindre, end nettoydelsen med solfangeren Winkler Variosol A-antireflex, på trods af, at bruttosolfangerarealet her er 251 m 2. En økonomisk analyse er foretaget på de to solvarmeanlæg. Det har været uvist, hvorvidt vakuumrørsolfangere kan fås til en billigere penge end plane solfangere, og således er den økonomiske analyse foretaget på såvel den bedste vakuumrørsolfanger, RZ Solartechnik DF 120-6, som den bedste plane solfanger, Winkler Variosol A-antireflex. Det viser sig imidlertid, at prisen på vakuumrørsolfangeren er højere end prisen på den plane solfanger, og således kan det konkluderes, at den plane solfanger er at foretrække, da nettoydelsen her samtidig er størst. Det er fundet, at klorholdig vand mindsker varmevekslernes levetid betragteligt, og således må der vælges nogle varmevekslere af en ekstrem høj kvalitet, med en ekstrem høj pris til følge. På baggrund af de dyre priser på varmevekslerne er det undersøgt, hvorvidt de fire varmeste bassiner i Øbrohallen kan tages ud af anlægget, uden det påvirker ydelsen betragteligt. Det viser sig, at den samlede nettoydelse herved kun forringes med mindre end 2000 kwh/år. Således kan udgifterne til anlægget mindskes betragteligt, og dermed mindskes også den samlede tilbagebetalingstid. Ydelsen for et solvarmeanlæg viser sig altså at være høj i tilknytning til en svømmehal. Dog bør der som udgangspunkt fokuseres på at begrænse inddragelsen af bassiner, da prisen på varmevekslere er ekstrem høj, når der er tale om klorholdigt vand. Det må således konkluderes, at man som udgangspunkt kun bør inkludere det koldeste bassin og varmtvandstanken, hvilket dog sammen med den rigtige styring giver en høj ydelse af solvarmeanlægget og dermed en rimelig tilbagebetaling af investeringen. 7

9 Abstract Several of different solar collectors are assessed and analyzed in connection with a solar heating system for the swimming bath, Øbrohallen, located in Østerbro in Copenhagen. Flat plate collectors as well as evacuated tubular collectors are analyzed. In addition to the individual solar collectors, three different ways to control the solar system have been assessed and analyzed. This is done, as it is assumed that the control of the solar heating system is crucial to the overall performance. The three control methods have all been implemented in the simulation program, Polysun, which is used to perform the calculations of the annual utilization of the solar collectors. Calculations show that the solar collector, that gives the best performance, is the flat plate solar collector, Winkler Variosol A-antireflex, which gives an annual net utilization of kwh with a collector gross area of 245 m 2. The best evacuated tubular collector is the collector named RZ Solar Technik DF 120-6, which achieves an annual net utilization of around kwh less than the flat plate solar collector, despite of the fact that the gross area of this collector is larger than the area of the flat plate hence 251 m 2. An economic analysis is performed on the two solar collectors. It was uncertain whether the evacuated tubular collector would be available for cheaper money than the flat plate collector, and therefore the economic analysis was to be carried out on both collectors, even though the flat plate collector shows a better net utilization. It turns out however that the price of the evacuated tubular collector is slightly higher than the price of the flat plate solar collector, and thus it can be concluded that the flat plate solar collector is preferable, as the net utilization here is also the greatest. It is found that Chlorinated water reduces the lifetime of heat exchangers considerably, and thus the heat exchangers must be chosen of an extremely high quality, with an extremely high price as consequence. Given the expensive prices of heat exchangers it is examined whether the four warmest pools in Øbrohallen can be taken out of the system, without affecting the performance of the solar heating system significantly. It turns out that the total net utilization only decreases with less than 2000 kwh/year. Thus the four warmest pools should not be included in the system. The net utilization of a solar heating system in connection with a swimming bath proves to be surprisingly high. However, the number of pools involved in the system should be kept at a minimum, as the price of heat exchangers are extremely high when dealing with chlorinated water. Thus, by reducing the number of pools involved in the system, the number of heat exchangers is also reduced. It is on behalf of the investigations done in the project concluded, that a solar heating system in connection to a swimmingbath results in a surprisingly high performance which again results in a fairly good payback time. 8

10 1. Indledning Solvarmeanlæg i tilknytning til svømmebade har endnu kun vundet begrænset indtog i Danmark, og ses som regel kun i tilknytning til udendørs bade, hvor åbningssæsonen er begrænset til sommerperioden. I Tyskland og Østrig er det imidlertid ikke unormalt at finde sådanne anlæg i tilknytning til såvel udendørs som indendørs svømmebade. Det er i denne rapport valgt at undersøge, hvorvidt et solvarmeanlæg kan fungere som supplerende opvarmningskilde af bassiner og brugsvand til en indendørs svømmehal i Danmark, med en fornuftig økonomi til følge. Det undersøges således, hvilken type solfanger der egner sig bedst til denne slags opvarmning. Som udgangspunkt fokuseres der på at finde en solfanger med så høj en ydelse som muligt. Der vil dog også blive fokuseret på, hvilke tiltag der kan gøres for at mindske udgifterne så meget som muligt, da økonomien vil være af afgørende betydning for konklusionen. Øbrohallen Svømmebad, som er lokaliseret på Østerbro i København, er i rapporten benyttet som reference for solvarmeanlægget. Her findes hele fem bassiner med forskellige temperaturniveauer samt omfattende badefaciliteter. Dermed er der en lang række muligheder for anvendelsen af solvarmeanlægget. Det forsøges som udgangspunkt at tilknytte solvarmeanlægget til alle fem bassiner samt det varme brugsvand. Herved opnås et forholdsvis kompliceret solvarmeanlæg og det vurderes således, at styringen af solvarmeanlægget vil have afgørende betydning for den årlige ydelse. På denne baggrund opstilles 3 mulige styringsstrategier, som hver især vil blive analyseret og sammenlignet. Det forventes således til sidst at finde den optimale kombination af styringsstrategi og solfanger, og dermed finde den optimale ydelse af et solvarmeanlæg i tilknytning til Øbrohallens Svømmebad. Også ved valg af styringsstrategi vil der dog blive sørget for, at der er sammenhæng mellem økonomi og ydelse, således at dyre tiltag, som kun giver anledning til små stigninger i ydelsen, ikke vælges. 9

11 2. Beskrivelse og analyse af solfangere I dette afsnit følger en beskrivelse og analyse af tre forskellige kategorier af solfangere, der vil forventes at kunne anvendes til opvarmning af svømmebassiner inklusive badefaciliteter. Inden for en af kategorierne, vakuumrørsolfangere, findes en række undertyper, som hver især vil blive analyseret og sammenlignet med hinanden. Det søges således i dette afsnit at opnå en idé om, hvilken type solfanger, der kan forventes at egne sig bedst til opvarmning af indendørs svømmebassiner samt varmt brugsvand. De tre kategorier der arbejdes med er følgende: - Plane solfangere med dæklag - Vakuumrørsolfangere - Plane solfangere uden dæklag På internetsiden solarenergy.ch [1] findes datakataloger for en lang række solfangere, som er testet i henhold til den europæiske standard EN Herved kan aflæses data vedrørende varmetabskoefficienter, starteffektiviteter og indfaldsvinkelkorrektionsfaktorer for de enkelte solfangere. Udvælgelseskriteriet har været solfangere, som forhandles på det danske marked, og som er testet efter den europæiske standard EN Undervejs i processen er internetsiden solarenergy.ch imidlertid blevet opdateret, og der kan ikke længere foretages denne sortering på danske forhandlere. Det er dog valgt at fortsætte med de solfangere, som i første omgang er blevet udvalgt på baggrund af de beskrevne kriterier. Effektiviteten for hver solfanger som funktion af solbestrålingsstyrke og temperaturforskel kan således beregnes af formlen nedenfor [2]: Der skal herudover tages højde for en indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for at finde den reelle effektivitet til en given solstråling, hvilket vil blive beskrevet senere i afsnittet. Indledningsvis skabes et overblik over variationen af effektiviteten for de forskellige solfangere, som funktion af solbestrålingsstyrken og temperaturforskellen mellem gennemsnitstemperaturen i solfangervæsken og omgivelsestemperaturen. Derudover belyses også indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren. 2.1 Plane solfangere uden dæklag Plane solfangere uden dæklag anvendes, hvis mindre temperaturstigninger ønskes, og ses i Danmark især anvendt til opvarmning af udendørs svømmebassiner i sommerperioderne. Fordelen ved denne type er, at de er meget effektive ved lave temperaturforskelle og samtidig meget billige. De plane solfangere uden dæklag er dog i høj grad påvirket af den omkringliggende lufttemperatur, idet 10

12 varmetabet hertil er ganske stort, og de vil typisk kun kunne opvarme vandet 5-30 C over lufttemperaturen. Af Figur 1 og Figur 2 ses det netop, hvordan effektiviteten for den plane solfanger uden dæklag hurtigt falder, i takt med at temperaturforskellen mellem væsken i solfangeren og omgivelserne stiger. Da der i denne forbindelse ønskes opvarmning året rundt, vil de plane solfangere uden dæklag i vinterperioden ikke kunne give et betydende bidrag til opvarmningen. De fleste erfaringer med brug af solfangere uden dæklag går også på opvarmning af udendørs svømmebassiner i sommerperioden, hvor de er utroligt anvendelige. Dog vil det være interessant at undersøge, hvorvidt det, qua den høje effektivitet ved lave temperaturforskelle om sommeren, alligevel vil være muligt at opnå en ydelse tæt på solfangerne med dæklag. Da teknologien for solfangere uden dæklag er meget simpel, findes der ikke den helt store variation heraf. Da Solarenergy.ch [1] ligeledes kun har en enkelt solfanger uden dæklag i datakataloget, vælges denne ene type til de videre undersøgelser. Effektiviteten for den plane solfanger uden dæklag ses af Figur 1 og Figur 2 nedenfor. Det ses tydeligt, at de opererer bedst ved lave temperaturforskelle. Det skal yderligere bemærkes, at effektiviteten for de helt lave temperaturforskelle er særdeles høj, hvilket netop gør denne type solfangere meget attraktiv for opvarmning af svømmebassiner i sommermånederne, hvor disse forhold netop vil gøre sig gældende. Det skal dog bemærkes, at denne type solfanger er meget følsom over for vind, og derfor vil effektiviteten være noget lavere, såfremt vinden tages med i betragtning. 1 Effektivitet for solfanger uden dæklag η [-] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 SPF Nr Tm-Ta [ ] Figur 1 Effektivitet for plan solfanger uden dæklag ved solbestrålingsstyrke G = 800 W/m 2, indfaldsvinkel = 0 og ingen vindpåvirkning. 11

13 η [-] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Effektivitet for solfanger uden dæklag Tm-Ta [ ] SPF Nr-420 Figur 2 - Effektivitet for plan solfanger uden dæklag ved solbestrålingsstyrke G = 400 W/m 2, indfaldsvinkel = 0 og ingen vindpåvirkning. 2.2 Plane solfangere med dæklag I Danmark er de mest anvendte solfangere af typen plane solfangere med dæklag. Der findes en lang række af forskellige plane solfangere, som varierer i kvalitet, ydeevne og pris. Erfaringerne med denne type solfangere går dog primært på opvarmning af vand til rumopvarmning og varmt brugsvand. Derfor vil det være interessant at undersøge, hvordan denne type solfangere egner sig til helårsopvarmning af vand til svømmebassiner i kombination med varmt brugsvand. Solfangere med dæklag, herunder plane solfangere, er at foretrække i tilfælde, hvor større temperaturstigninger ønskes, idet effektiviteten her er større end for solfangerne uden dæklag. Dette skyldes, at varmetabet til omgivelserne fra de plane solfangere uden dæklag er noget større end for dem med dæklag, hvorfor effektiviteten hurtigt falder ved høje temperaturer i solfangervæsken. I dette tilfælde ønskes et samlet anlæg til opvarmning af både vand til et standard svømmebassin på ca. 27 og flere varmtvandsbassiner på op til 38. Det er således interessant at undersøge, hvilken type solfanger, der er mest fordelagtig til netop denne type opvarmning, hvor flere forskellige temperaturniveauer indgår. Effektiviteten for de forskellige solfangere, fundet på solarenergy.ch, er ved forskellige temperaturer og solbestrålingsstyrker beregnet, og resultaterne for en solbestrålingsstyrke svarende til en gennemsnitlig dansk sommerdag er sammenfattet i Figur 3. 12

14 0,9 Effektivitet for plane solfangere med dæklag 0,8 0,7 0,6 η [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tm-Ta [ ] Figur 3 Effektivitet baseret på det transparente areal for forskellige plane solfangere med dæklag ved forskellige temperaturforskelle for en solbestrålingsstyrke på 800 w/m 2 og indfaldsvinkel 0. Af Figur 4 nedenfor fremgår effektiviteten for en lavere solbestrålingsstyrke, som forventes at kunne optræde blandt andet om vinteren. 13

15 0,9 Effektivitet for plane solfangere med dæklag 0,8 0,7 0,6 η [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tm-Ta [ ] Figur 4 - Effektivitet baseret på det transparente areal for forskellige plane solfangere med dæklag ved forskellige temperaturforskelle for en solbestrålingsstyrke på 400 w/m 2 og indfaldsvinkel 0. Som det fremgår, er det de samme solfangere, der er gode og dårlige ved både lav og høj solbestrålingsstyrke. Dog falder effektiviteten hurtigere, når solbestrålingsstyrken er lav. På bilag 1 og bilag 2 ses en tydeligere afbildning af figurerne, hvor det også ses, hvilke navne der er knyttet til de enkelte solfangere. På Figur 5 ses den øvre og nedre grænse samt middelværdien for effektiviteten af plane solfangere med dæklag ved en solbestrålingsstyrke på 800 W/m 2. Som det fremgår, er variationen forholdsvis stor, specielt ved de høje temperaturforskelle. Figur 6 viser samme billede, men ved en lavere solbestrålingsstyrke. 14

16 0,9 Maks., min. og middel effektivitet for plane solfangere η [-] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Middel Thermital Tsol 25 Geotec Alu2000Q SolTop CobralinoX SolTop CobraX 0, Tm-Ta [ ] Figur 5 Max., min., og middeleffektivitet baseret på det transparente areal for plane solfangere med dæklag ved en solbestrålingsstyrke på 800 W/m 2 og indfaldsvinkel 0. 0,9 Maks., min. og middel effektivitet for plane solfangere η [-] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Middel SolTop CobralinoX Geotec Alu2000Q Thermital Tsol 25 SolTop CobraX 0, Tm-Ta [ ] Figur 6 - Max., min., og middeleffektivitet baseret på det transparente areal for plane solfangere med dæklag ved en solbestrålingsstyrke på 400 W/m 2 og indfaldsvinkel 0. 15

17 2.3 Vakuumrørsolfangere Vakuumrørsolfangere tilhører, ligesom plane solfangere med dæklag, kategorien af solfangere med dæklag. Denne type solfanger er ny i forhold til den mere traditionelle plane solfanger og har blandt andet sine fordele ved, at effektiviteten kan øges ved solindstråling med høje indfaldsvinkler, hvilket vil blive nærmere beskrevet senere i afsnittet, samt en høj effektivitet selv ved høje temperaturer i solfangervæsken. Sammenligningskriterierne for disse solfangere er selvsagt de samme som for de plane solfangere. Der ønskes så høj en effektivitet som muligt. Internetsiden Solarenergy.ch [1] har, som for de plane solfangere, et stort datakatalog over vakuumrørsolfangere. Også her er der regnet effektivitet til forskellige temperaturforskelle for de vakuumrørsolfangere, som har danske forhandlere og er kvalitetstestede efter den europæiske standard EN Resultaterne for forskellige solbestrålingsstyrker ses af Figur 7 og Figur 8 nedenfor. Figurerne er ligeledes vedlagt på Bilag 3 og 4, hvor der kan ses en tydeligere afbildning af figurerne med tilhørende navne til de enkelte solfangere. 0,9 Effektivitet for vakuumrørsolfangere 0,8 0,7 0,6 η [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tm-Ta [ ] Figur 7 Effektivitet baseret på det transparente areal for forskellige vakuumrørsolfangere ved forskellige temperaturforskelle for en solbestrålingsstyrke på 800 w/m 2 og indfaldsvinkel 0. 16

18 0,9 Effektivitet for vakuumrørsolfangere 0,8 0,7 0,6 η [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tm-Ta [ ] Figur 8- Effektivitet baseret på det transparente areal for forskellige vakuumrørsolfangere ved forskellige temperaturforskelle for en solbestrålingsstyrke på 400 w/m 2 og indfaldsvinkel 0. Det ses tydeligt, at der er stor forskel i kvaliteten på de forskellige vakuumrørsolfangere. På Figur 9 og Figur 10 ses den øvre og nedre grænse samt middelværdien for effektiviteten af de forskellige vakuumrørsolfangere, som er vist på Figur 7 og Figur 8. Det ses, at variationen her er endnu større, end det er tilfældet for de plane solfangere med dæklag. Dette skyldes, at effektiviteten af en vakuumrørsolfanger er stærkt afhængig af designet, som kan variere betydeligt. Nogle designs sikrer høje starteffektiviteter ved indfaldsvinkler på 0, mens andre designs giver lavere starteffektiviter, men til gengæld højere udnyttelse ved højere tværgående indfaldsvinkler. Forskellen på disse designs og deres betydning for effektiviteten vil blive belyst senere, hvor også betydningen af indfaldsvinklen vil blive nærmere beskrevet. 17

19 0,9 Maks., min. og middel effektivitet for vakuumrørsolfangere η [-] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 RZ Solartechnik DF-120 Solar Power Solar Trap 20 Pleion CRD 10 Solar Power Solar Trap 10 Middel Tm-Ta [ ] Figur 9 Maksimum, minimum og middeleffektivitet baseret på det transparente areal for vakuumrørsolfangere ved en solbestrålingsstyrke på G = 800 W/m 2 og indfaldsvinkel 0. 0,9 Maks., min. og middel effektivitet for vakuumrørsolfangere η [-] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 RZ Solartechnik DF-120 Solar Power Solar Trap 20 Pleion CRD 10 Middel Tm-Ta [ ] Figur 10 - Max., min., og middeleffektivitet baseret på det transparente areal for vakuumrørsolfangere ved en solbestrålingsstyrke på G = 400 W/m 2 og indfaldsvinkel 0. 18

20 2.4 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kϴ I tilknytning til ovenstående effektivitetsudtryk, må der for såvel de plane solfangere som for vakuumrørsolfangerne tages højde for en indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, der tager højde for den vinkel, solens stråler rammer solfangerne med. For de plane solfangere gælder der kun én korrektionsfaktor, K θ, som tager højde for indfaldsvinklen. Den optimale værdi af K θ er 1 og gælder, når solens stråler falder vinkelret ind på solfangeren. Dette gør sig også gældende for vakuumrørsolfangerne, hvor den langsgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K l, maksimalt kan opnå en værdi på 1, hvilket gælder for en indfaldsvinkel på 0. For vakuumrørsolfangere gælder imidlertid, at der også skal tages højde for en tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t. Hvor K l maksimalt kan antage en værdi af 1, kan K t antage værdier større end 1. Dette gælder for tværgående indfaldsvinkler større end 0 og skyldes dels, at vakuumrørsolfangere har en cylinderformet overflade, hvorved solstrålerne kan gennemtrænge glasset selv ved høje indfaldsvinkler. Derudover øges andelen af solstråling på solfangerne grundet refleksion fra omgivelserne også ved høje indfaldsvinkler, samtidig med at andelen af solindstråling, der går tabt i mellemrummene mellem rørene mindskes. Tilsammen gør dette, at den tværgående korrektionsfaktor kan stige ved indfaldsvinkler større end 0. Disse forhold vil blive belyst nærmere i de senere afsnit, hvor det også vil klarlægges, hvilke typer af vakuumrørsolfangere, der nyder størst fordel af højere indfaldsvinkler. Indfaldsvinklen, K θ, på en plan solfanger er illustreret på Figur 11 nedenfor. Figur 11 Skitse af solens indfaldsvinkel på plan solfanger. Ved en vinkel på 0 står solen lodret over planen. Når indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren medtages i det samlede effektivitetsudtryk, vil det se ud som følger for plane solfangere [3]: 19

21 Af dataarket for hver solfanger [1] kan indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren aflæses for en indfaldsvinkel på 50. Dermed kan det samlede udtryk for indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren findes, da følgende sammenhæng mellem indfaldsvinkel og korrektionsfaktor gælder [3]: Dermed kan P, som er en konstant relateret til hver enkelt solfanger, beregnes, og K θ kan beregnes til forskellige indfaldsvinkler. For vakuumrørsolfangere skal der som nævnt korrigeres for to indfaldsvinkelkorrektionsfaktorer, hvilket betyder, at det samlede effektivitetsudtryk for vakuumrørsolfangere ser ud som følger [4]: Hvor K l regnes på samme måde som K θ for plane solfangere, som det ses af formel (III), kan K t derimod ikke beregnes ud fra de oplyste data. Det er dog muligt at aflæse K t af dataarkene [1] til enhver given tværgående indfaldsvinkel, og dermed opnå et billede af K t s forløb i forhold til den tværgående indfaldsvinkel Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for plane solfangere Som tidligere nævnt har plane solfangere en indfaldsvinkelkorrektionsfaktor som vist på Figur 11. Variationen af K ϴ for de forskellige solfangere fremgår af Figur 12. Som det ses, er variationen ikke kæmpe stor, men kan dog heller ikke negligeres. Det er dog ikke den store variation i den samlede effektivitet, som vinkelkorrektionsfaktoren, K θ, vil bidrage med. Dette ses af Figur 13 og Figur 3, som viser, at de dårligste solfangere ved en indfaldsvinkel på 0 også er dårligst ved en indfaldsvinkel på 50, mens det samme gør sig gældende for de bedste solfangere. Vinkelkorrektionsfaktoren er altså vigtig at have med, da den kan begrænse den samlede effektivitet, men den er ikke af afgørende betydning for, hvilke solfangere, der er mest effektive. Af bilag 5 ses K ϴ som funktion af indfaldsvinklen for hver enkelt solfanger. 20

22 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kθ [-] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K ϴ, for plane solfangere Indfaldsvinkel, θ [ ] Minimum Maximum Middel Figur 12 Variation af indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kϴ, for plane solfangere. 0,9 Effektivitet for plane solfangere med dæklag ved indfaldsvinkel på 50 0,8 0,7 0,6 η [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tm-Ta [ ] Figur 13 - Effektivitet for forskellige plane solfangere ved forskellige temperaturforskelle for en solbestrålingsstyrke på 800 w/m 2 og indfaldsvinkel

23 2.4.2 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for vakuumrørsolfangere Som netop beskrevet afhænger den totale effektivitet for vakuumrørsolfangere af to indfaldsvinkelkorrektionsfaktorer. På Figur 14 ses den maksimale-, den minimale- samt den midlede værdi af den langsgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K l, for vakuumrørsolfangerne. Af bilag 6 fremgår K l som funktion af den langsgående indfaldsvinkel for samtlige vakuumrørsolfangere. Som for plane solfangere har denne indfaldsvinkelkorrektionsfaktor begrænset betydning for, hvilke solfangere der er mest effektive. Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K l, for vakuumrørsolfangere Langsgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kl[-] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Minimum Maximum Middel Langsgående indfaldsvinkel[ ] Figur 14 Variation af indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K l, for vakuumrørsolfangere Udover K l tages der for vakuumrørsolfangere imidlertid også højde for en korrektionsfaktor, K t, som tager højde for den tværgående indfaldsvinkel. Figur 15 viser de to indfaldsvinkler. 22

24 Figur 15 Tværgående og langsgående indfaldsvinkel på vakuumrørsolfangere Udformningen af vakuumrørsolfangere kan variere meget og er meget afgørende for, hvordan indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren, K t, forløber. Derfor er det valgt at dele vakuumrørsolfangerne op i 4 hovedtyper, når den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor skal bestemmes. De 4 hovedtyper er beskrevet forneden. 2.5 Type 1 Vakuumrørsolfangere Som type 1 er valgt solfangere med afbøjet reflektor som vist på Figur 16. Der findes flere undertyper inden for denne kategori, men som det senere vil fremgå, er det afgørende for denne type, at der er en afbøjet reflektor tilstede. Dette giver et helt specifikt forløb af K t som funktion af indfaldsvinklen. Figur 16 Eksempel på Type 1 vakuumrørsolfangere med afbøjet reflektor 23

25 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren, K t, kan som sagt ikke beregnes, men af dataarkene, som findes for hver enkelt solfanger på solarenergy.ch [1], kan K t aflæses for forskellige indfaldsvinkler. Derved er fremkommet følgende sammenhæng mellem den tværgående indfaldsvinkel og indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren, K t, for vakuumrørsolfangere af typen 1 som vist på Figur 17. Tværgående Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt [-] Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt, for type 1 vakuumrørsolfangere 1,6 1,4 1,2 1 AMK-Collectra OPC 10 0,8 AMK-Collectra OPC 15 AMK-Collectra OPC 15 H 0,6 De Dietrich Power 10 0,4 De Dietrich Power 15 0,2 Pleion CPO Tværgående indfaldsvinkel[ ] Figur 17 Sammenhæng mellem tværgående indfaldsvinkel og indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t, for Type 1 Vakuumrørsolfangere. Som det fremgår af Figur 17 er indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren i intervallet 0-55 lavere end 1, mens den i intervallet er højere end 1, for derefter tilslut at være lavere end 1 igen. Årsagen til denne tendens skal ses i lyset af den afbøjede reflektor, som tilsyneladende har maksimal virkningsgrad ved en indfaldsvinkel på 0. Som indfaldsvinkelen stiger, falder mængden af refleksion, grundet den afbøjede reflektor, som har maksimal virkning ved en indfaldsvinkel på 0. Dette er atypisk for vakuumrørsolfangere, da reflektionsmængden sædvanligvis stiger i takt med en stigende tværgående indfaldsvinkel. Her er refleksionen imidlertid stor ved en indfaldsvinkel på 0, idet reflektoren er afbøjet. Ved en indfaldsvinkel på mellem 55 og 75 opvejes den tabte refleksion af, at kun en lille del af solens stråler går tabt i mellemrummene mellem rørene, og derved opnås en indfaldsvinkelkorrektionsfaktor større end 1. Til sidst bliver vinklen så stor, at rørene skygger for hinanden, og korrektionsfaktoren falder til under 1 igen ved indfaldsvinkler højere end 75. Det skal bemærkes, at forløbet af kurverne er bemærkelsesværdigt ens for alle solfangerne af typen 1, hvilket altså skyldes den bøjede reflektor. På bilag 7 ses de forskellige undertyper, som er inddelt i kategorien type 1. 24

26 Årsagen til, at der på Figur 17 kun ses tre forskellige forløb er, at flere af solfangerne er identiske, men har forskellige navne, afhængigt af forhandler. 2.6 Type 2 Vakuumrørsolfangere Som type 2 er valgt solfangere med flad reflektor som vist på Figur 18. Da der kun er én af denne type solfangere, er det svært at konkludere, at der er et typisk forløb af K t som funktion af indfaldsvinklen for denne type solfangere. Da denne type imidlertid ikke hører ind under nogle af de øvrige typer, er det besluttet at kategorisere den som en hovedtype for sig selv. Figur 18 Eksempel på Type 2 vakuumrørsolfangere med flad reflektor Af Figur 19 fremgår sammenhængen mellem den tværgående indfaldsvinkel og indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren K t. Som det ses, er det ikke helt uden betydning, om reflektoren er flad eller afrundet. Med den flade reflektor falder K t således ikke i det første interval, men stiger tværtimod. Dette skyldes, at refleksionsmængden ved en indfaldsvinkel på 0 er betydeligt mindre, når reflektoren er flad. Det betyder, at både reflektionsmængden og udnyttelsesgraden af solens stråler stiger i takt med, at indfaldsvinklen stiger, og derved vil korrektionsfaktoren også stige øjeblikkeligt. Først når vinklen bliver så stor, at rørene vil begynde at skygge for hinanden, falder K t til under 1. Det skal imidlertid bemærkes, at dette ikke nødvendigvis betyder, at en flad reflektor er bedre end én, der er afbøjet, da en afbøjet reflektor typisk vil betyde, at starteffektiviteten er noget højere. 25

27 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt, for type 2 solfangere 1,6 Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt [-] 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Pleion CRD 10 Tværgående indfaldsvinkel, θ [ ] Figur 19 - Sammenhæng mellem tværgående indfaldsvinkel og korrektionsfaktor, K t, for Type 2 vakuumrørsolfangere 2.7 Type 3 Vakuumrørsolfangere Type 3 består af en flad absorber og flad varmeledningsplade, som går gennem centrum af røret. Som for flere af de øvrige typer er der også her flere undertyper, men forløbet af K t vil vise sig at følge samme tendens for alle undertyper. Figur 20 Eksempel på type 3 vakuumrørsolfangere med absorber og varmeledningsplade gennem centrum af røret Af Figur 21 ses sammenhængen mellem den tværgående indfaldsvinkel og indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren, K t, for type 3 solfangere. Det ses at K t stiger en smule fra 0 til ca. 40, 26

28 hvorefter den falder hurtigt igen. Det skal ses i lyset af, at refleksionsmængden stiger, mens mængden af solstråling, der går tabt mellem rørene falder. Den flade absorber betyder dog, at den direkte solstråling bedst udnyttes ved en indfaldsvinkel på 0. Samlet set giver disse forhold derfor kun en mindre stigning i intervallet 0-50, mens det for meget høje tværgående indfaldsvinkler betyder en forringelse af effektiviteten. Denne type solfanger opnår en maksimal indfaldsvinkelkorrektionsfaktor på ca. 1,1, hvilket er noget lavere end for de øvrige typer, og især sammenlignet med type 4, som heller ikke har nogen reflektor, er dette en del lavere. Det kan dog ikke alene konkluderes herudfra, hvorvidt denne type solfanger er en dårligere solfanger end eksempelvis type 4, idet starteffektiviteten kan være højere for denne type. På bilag 8 fremgår de forskellige undertyper, som indgår i kategorien for type 3 vakuumrørsolfangere. Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t, for type 3 vakuumrørsolfangere Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t [-] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Tværgående indfaldsvinkel [ ] Olymp Sunstar HP20 K2(θ) Navitron SFC 10 Olymp Sunstar HP30 RZ Solartechnik DF Augusta-solar AS 100 Conergy Xinox DF6 Egger EVR Lux Thermostrom Strebel DS 6 Thermostrom Strebel HP16 Wikora DF Wikora HP Wikora HP Figur 21 - Sammenhæng mellem tværgående indfaldsvinkel og korrektionsfaktor, K t, for type 3 vakuumrørsolfangere 2.8 Type 4 Vakuumrørsolfangere Som sidste type er valgt solfangere, hvor absorberen og varmeledningspladen er udført som en cirkel hele vejen rundt i solfangeren. Forskellen til type 1 og type 2 er, at der her ikke er nogen reflektor. Som for type 1 findes der flere undertyper af denne slags. Det vil dog vise sig, at netop konstruktionen med absorber og varmeledningsplade hele vejen rundt i vakuumrøret giver et helt typisk forløb af K t. 27

29 Figur 22 Eksempel på type 4 vakuumrørsolfangere med absorber og varmeledningsplane hele vejen rundt i røret Af Figur 23 nedenfor ses sammenhængen mellem den tværgående indfaldsvinkel og indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren, K t, for type 4 solfangere. K t stiger i takt med, at den tværgående indfaldsvinkel stiger og topper ved Årsagen til dette er ligesom i forrige tilfælde, at solindfaldet på solfangerne stiger, når den tværgående indfaldsvinkel stiger, idet mængden af solstråling, der går tabt imellem vakuumrørene dermed falder. Da absorberen og varmeledningspladen er udført, så de følger krumningen af røret, vil udnyttelsen af den direkte solstråling, modsat type 3, ikke blive mindre, når den tværgående indfaldsvinkel stiger. Disse forhold sammenholdt med, at reflektionsmængden stiger i takt med en stigende tværgående indfaldsvinkel betyder, at den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor stiger betydeligt i intervallet 0-55 og først bliver lavere end 1 ved tværgående indfaldsvinkler større end ca. 70. På bilag 9 ses de forskellige tværsnit af de solfangere, som hører under kategorien type 4 vakuumrørsolfangere. Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t, for type 4 vakuumrørsolfangere Tværgående Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t [-] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Tværgående indfaldsvinkel [ ] MM Solar Heliosin AKH BMK Solar NSC Hitek Solar NSC Isko NSC Jinyi JHC-.-15 Jinyi JHC-.-24 Sidite-SC-H-15 Sidite-SC-H-24 Solar Power Solar Trap 10 Solar Power Solar Trap 20 Solman SM-30 Figur 23 Sammenhæng mellem tværgående indfaldsvinkel og korrektionsfaktor, K t, for type 4 vakuumrørsolfangere 28

30 På Figur 24 nedenfor ses de gennemsnitlige tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktorer for de fire typer. Som det ses er det type 2 og type 4, som har de højeste værdier. Dette betyder dog ikke nødvendigvis, at disse typer er bedre end type 1 og type 3, idet starteffektiviteterne for disse typer er noget højere, hvilket tydeligt fremgår af Figur 25 og Figur 26. Det er altså på nuværende tidspunkt ikke muligt at foretrække én type vakuumrørsolfanger frem for en anden. Gennemsnitlige indfaldsvinkelkorrektionsfaktorer for type 1 - type 4 vakuumrørsolfangere Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t [-] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Tværgående indfaldsvinkel [ ] Type 1 gennemsnit Type 2 gennemsnit Type 3 gennemsnit Type 4 gennemsnit Figur 24 Gennemsnitsværdier for sammenhængen mellem den tværgående indfaldsvinkel og vinkelkorrektionsfaktoren, K t, for de fire typer vakuumrørsolfangere Fælles for alle fire typer gælder det dog, at den maksimale effektivitet opnås ved høje tværgående indfaldsvinkler. Det er altså værd at bemærke, at de to typer med høje starteffektiviteter, type 1 og type 3, også nyder fordel af, at indfaldsvinklen er høj, om end ikke i samme grad som typerne 2 og 4. Det skal samtidig nævnes, at for høje indfaldsvinkler selvfølgelig betyder en forringelse af effektiviteten, som det også fremgår af Figur

31 0,9 0,8 0,7 Gennemsnitlig effektivitet - typeopdelt G=800 W/m 2 η[-] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Type 1 Type 2 Type 3 Type Tm-Ta [ ] Figur 25 Gennemsnitlig effektivitet fordelt på fire typer vakuumrørsolfangere ved en indfaldsvinkel på 0 og en solbestrålingsstyrke på 800 w/m 2 0,9 Gennemsnitlig effektivitet - typeopdelt 0,8 0,7 0,6 G=400 W/m 2 η[-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Type 1 Type 2 Type 3 Type Tm-Ta [ ] Figur 26 - Gennemsnitlig effektivitet fordelt på fire typer vakuumrørsolfangere ved en infaldsvinkel på 0 og en solbestrålingsstyrke på 400 w/m 2 30

32 På Figur 27 til Figur 30 ses den samlede, gennemsnitlige effektivitet for type 1-type 4 solfangerne, som funktion af temperaturforskellen, T m -T a, og den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t. 1 Effektivitet for type 1 vakuumrørsolfangere 0,9 0,8 0,7 G=800 W/m2 θl=0 η [-] 0,6 0,5 0,9-1 0,4 0,3 0,2 0,1 00 0,8-0,9 0,7-0,8 0,6-0,7 0,5-0,6 0,4-0,5 0,3-0, ,2-0,3 0,1-0,2 0-0,1 Figur 27 Effektivitet for type 1 vakuumrørsolfangere som funktion af den tværgående indfaldsvinkel og temperaturforskellen Tm-Ta, ved en solbestrålingsstyrke G=800 W/m 2 og langsgående indfaldsvinkel θ=0 Figur 27 viser den samlede effektivitet for type 1 vakuumrørsolfangere som funktion af temperaturforskellene, T m -T a, og tværgående indfaldsvinkler. Det ses, at den højeste effektivitet opnås ved tværgående indfaldsvinkler i intervallet Effektiviteten ved helt små indfaldsvinkler på 0-20 er også relativt høj for denne type solfanger, mens den er lav i de øvrige intervaller. Det er interessant at bemærke, at den højeste effektivitet opnås ved høje tværgående indfaldsvinkler. Fælles for alle indfaldsvinkler er selvfølgelig, at effektiviteten er højest ved lave temperaturforskelle. Type 1 solfangerne er så at sige bedst ved de helt lave eller relativt høje indfaldsvinkler og lave temperaturforskelle. 31

33 1 Effektivitet for type 2 vakuumrørsolfangere 0,9 0,8 0,7 G=800 W/m2 θl=0 0,6 η [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,9-1 0,8-0,9 0,7-0,8 0,6-0,7 0,5-0,6 0,4-0,5 0,3-0,4 0,2-0,3 0,1-0,2 0-0,1 Figur 28 - Effektivitet for type 2 vakuumrørsolfangere som funktion af den tværgående indfaldsvinkel og temperaturforskellen Tm-Ta, ved en solbestrålingsstyrke G=800 W/m 2 og langsgående indfaldsvinkel θ=0 Figur 28 viser den samlede effektivitet for type 2 vakuumrørsolfangere som funktion af temperaturforskellen, T m -T a, og den tværgående indfaldsvinkel. Som det ses, opnås den højeste effektivitet her ved tværgående indfaldsvinkler på 50-65, men også i intervallet er effektiviteten relativt høj i sammenligning med solfangerne af typen 1. Desuden skal det bemærkes, at effektiviteten falder relativt lidt i takt med stigende temperaturer, hvilket altså betyder, at denne type solfangere i høj grad har sine fordele ved høje temperaturforskelle og høje indfaldsvinkler. 32

34 Effektivitet for type 3 vakuumrørsolfangere 1 0,9 0,8 0,7 G=800 W/m2 θl=0 η [-] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,9-1 0,8-0,9 0,7-0,8 0,6-0,7 0,5-0,6 0,4-0,5 0,3-0,4 0,2-0,3 0,1-0,2 0-0,1 Figur 29 - Effektivitet for type 3 vakuumrørsolfangere som funktion af den tværgående indfaldsvinkel og temperaturforskellen Tm-Ta, ved en solbestrålingsstyrke G=800 W/m 2 og langsgående indfaldsvinkel θ=0 Figur 29 viser den samlede effektivitet for type 3 vakuumrørsolfangere som funktion af temperaturforskellen, T m -T a, og den tværgående indfaldsvinkel. Som det fremgår, har denne type solfangere sine fordele ved de helt små til middelhøje indfaldsvinkler, det vil sige i området fra I sammenligning med de øvrige typer er tabet i effektivitet ganske gennemsnitligt som funktion af stigende temperaturforskelle. Det kan derfor ikke siges, at denne type solfanger, i sammenligning med de øvrige typer, har sine fordele ved hverken små eller store temperaturforskelle. Den er derimod en god solfanger, som præsterer middel godt ved alle temperaturer og over et bredt spektrum af indfaldsvinkler. 33

35 1 Effektivitet for type 4 vakuumrørsolfangere 0,9 0,8 0,7 G=800 θl=0 0,6 η [-] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,9-1 0,8-0,9 0,7-0,8 0,6-0,7 0,5-0,6 0,4-0,5 0,3-0,4 0,2-0,3 0,1-0,2 0-0,1 Figur 30 - Effektivitet for type 3 vakuumrørsolfangere som funktion af den tværgående indfaldsvinkel og temperaturforskellen Tm-Ta, ved en solbestrålingsstyrke G=800 W/m 2 og langsgående indfaldsvinkel θ=0 Figur 30 viser den samlede effektivitet for type 4 vakuumrørsolfangere som funktion af temperaturforskellen, T m -T a, og den tværgående indfaldsvinkel. Som det fremgår, har denne type solfanger sine fordele ved høje indfaldsvinkler i intervallet Da denne type solfanger er forholdsvis følsom over for høje temperaturforskelle, må den siges at have sine fordele ved lave temperaturforskelle. Ved lave temperaturforskelle og høje indfaldsvinkler er den overlegen i forhold til samtlige af de øvrige 3 typer vakuumrørsolfangere, hvorimod den er dårligst ved øvrige indfaldsvinkler og høje temperaturforskelle. Det kan således udledes, at hver type har sine fordele afhængigt af tværgående indfaldsvinkler og temperaturforskelle. 34

36 2.9 Forholdet D/X s påvirkning af Kt Foruden ovenstående analyse vil det være interessant at undersøge, hvordan forholdet mellem vakuumrørenes diameter og deres indbyrdes afstand påvirker den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor jævnfør Figur 31. Figur 31 Forholdet mellem vakuumrørdiameter og centerafstand, D/X Analysen foretages for hver af de fire typer vakuumrørsolfangere. Dette gøres dels for at sikre en fair sammenligning, idet opbygningen af vakuumrørsolfangerne, som påvist i forrige afsnit, har enorm betydning for forløbet af den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, dels for at undersøge om forholdet D/X har større betydning for nogle typer af vakuumrørsolfangere end andre Type 1 Sammenhængen mellem den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor og forholdet D/X, fremgår af Figur 32 nedenfor. Det ser umiddelbart ud til, at forholdet, D/X, for denne type solfangere har endog meget stor betydning for den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor ved høje indfaldsvinkler. Da der kun er tale om 6 observationer, er usikkerheden af resultaterne dog forholdsvis stor. Alligevel vurderes resultaterne her at kunne tillægges en vis betydning, idet designet af vakuumrørsolfangerne for type 1, på nær AMK Collectra OPC 10, er nøjagtig ens. Det er således kun forholdet, D/X, som adskiller de øvrige type 1 solfangere fra hinanden. Tendensen er entydig, og således falder den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor væsentligt, ved blot en minimal stigning i forholdet D/X. Denne tendens er forventelig, idet større afstand mellem vakuumrørene, vil mindske skyggeforholdene vakuumrørene imellem ved høje tværgående indfaldsvinkler og dermed forøge den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor. Det er dog vigtigt at have in mente, at dette ikke betyder, at et så lille forhold som muligt mellem D og X nødvendigvis bør tilstræbes. Dels er det et spørgsmål om, at jo mindre dette forhold bliver, jo mere risikerer vakuumrørsolfangeren at fylde, hvilket ikke altid er hensigtsmæssigt. Derudover er det ikke nødvendigvis et lille forhold mellem D og X som giver den højeste effektivitet, men blot den højeste tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor ved høje tværgående indfaldsvinkler. Det fremgår således af 35

37 bilag 4 og bilag 5, at effektiviteten for Pleion CPO 15 ved indfaldsvinkler på 0, er større end for de øvrige type 1 vakuumrørsolfangere. Den foreløbige konklusion på forholdet D/X for type 1 vakuumrørsolfangere er, at jo mindre forholdet er, jo større bliver den tværgående indfaldsvinkel korrektionsfaktor. Samtidig kan det dog ikke endelig konkluderes, at et så småt forhold som muligt bør tilstræbes, idet et lille forhold ikke nødvendigvis sikrer den højeste effektivitet, mens et lille forhold betyder et mindre transparent areal i forhold til solfangerens samlede bruttoareal. Kt(50 ) som funktion af forholdet D/X for type 1 vakuumrørsolfangere Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt [-] 0,98 0,96 0,94 0,92 0,9 0,88 0,86 0,84 0,82 0,8 AMK Collectra OPC 10 De Dietrich Power 10 Pleion CPO 15 AMK Collectra OPC 15 AMK Collectra OPC 15 H De Dietrcih Power 15 0,55 0,55 0,56 0,56 0,56 0,56 Kt(50) D/X [-] Figur 32 Den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor som funktion af forholdet, D/X, til θ= Type 2 Da der kun foreligger data for en enkelt af denne type solfangere er det her ikke muligt at finde en tendens for sammenhængen mellem forholdet, D/X, og den tværgående vinkelkorrektionsfaktor for denne type vakuumrørsolfangere Type 3 For type 3 solfangerne er tendensen den samme som for type 1 solfangerne. Der er kun en enkelt af solfangerne her, som ikke følger tendensen, nemlig Augusta Solar AS 100, som det fremgår af Figur 33 nedenfor. Der er ingen logisk forklaring på, hvorfor netop denne type solfanger har en højere tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor til 50, idet udformningen af denne solfanger er identisk med de øvrige af denne type. Dog tegner der sig alligevel et klart billede af, at der også for denne type vakuumrørsolfangere er en sammenhæng mellem størrelsen af den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor og forholdet mellem vakuumrørenes diameter og deres indbyrdes afstande. Det 36

38 fremgår således også her, at den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor til høje indfaldsvinkler er størst når forholdet, D/X, er mindst. Det er igen en forventelig tendens, idet en større afstand mellem rørene, som nævnt, mindsker skyggeforholdene vakuumrørene imellem. Kt(50 ) som funktion af forholdet d/x for type 3 vakuumrørsolfangere 1,1 Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt [-] 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 Navitron SFC 10 Conergy Xinox DF6 RZ Solartechnik DF Wikora DF Augusta Solar AS 100 Sieger Solar Sunstar 20 Olymp sunstar HP20 Wikora HP Sieger Solar Sunstar 30 Olymp Sunstar HP30 Wikora HP ,70 0,83 0,83 0,83 0,83 0,90 0,90 0,90 0,91 0,91 0,91 Kt(50) D/X [-] Figur 33 Den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor som funktion af forholdet, D/X, til θ= Type 4 For type 4 vakuumrørsolfangere tegner der sig det samme billede som for de øvrige typer, nemlig af den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor til høje tværgående indfaldsvinkler stiger, når forholdet, D/X, falder, som det ses af Figur 34 nedenfor. Tendensen er altså den samme for alle de fire typer vakuumrørsolfangere. Som tidligere beskrevet kan et optimalt forhold af D/X ikke konkluderes, idet den samlede effektivitet i sidste ende er afgørende for, hvilken vakuumrørsolfanger der er bedst. Dog kan det konkluderes, at jo større afstanden bliver mellem vakuumrørene, jo større bliver den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for alle fire typer vakuumrørsolfangere. 37

39 Kt(50 ) som funktion af forholdet d/x for type 4 vakuumrørsolfangere Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt [-] 1,5 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 1,2 BMK Solar NSC Hitek Solar NSC Isko Solar NSC Jinyi JHC Sidite SC- H-15 Sidite SC-H-24 Jinyi JHC Solar Power Solar Trap 10 Solar Power Solar Trap 20 Solman SM-30 Solar UK Lazer 2 0,68 0,68 0,68 0,73 0,73 0,75 0,75 0,75 0,75 0,83 0,85 Kt(50) D/X [-] Figur 34 Den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor som funktion af forholdet, D/X, til θ= Sammenligning af solfangere I det følgende afsnit vil de valgte solfangere fra hver kategori blive sammenlignet med hinanden. Af Figur 35 og Figur 36 nedenfor ses effektiviteten for de valgte solfangere fra hver kategori holdt op mod hinanden. Billedet er det samme for de to solbestrålingsstyrker. Det ses, at den plane solfanger uden dæklag har den højeste effektivitet når Tm-Ta er meget lav. Ved de middelhøje og høje temperaturer er det vakuumrørsolfangerne, som har den højeste effektivitet, mens de plane solfangere med dæklag ikke ligger højest i nogle af temperaturintervallerne. Sættes de plane solfangere med dæklag op mod vakuumrørsolfangerne alene ses det dog, at de plane solfangere er mest effektive ved helt lave temperaturforskelle. De udækkede solfangere viser sig at være fuldstændig ineffektive ved middelhøje temperaturforskelle og lave solbestrålingsstyrker, så denne type solfanger vil kun være at foretrække ved lave temperaturforskelle. Ydermere er vindpåvirkningen ikke taget i betragtning, og da solfangerne skal placeres på taget af en 5 etageres bygning, må denne antages at have en vis indflydelse, som vil forringe effektiviteten af de udækkede solfangere yderligere. Det ses endvidere, at spredningen på vakuumrørsolfangerne er en hel del større end for plane solfangere. Dette skyldes, som tidligere beskrevet, den store variation af design og udformning, der findes hos vakuumrørsolfangerne, mens muligheden for at variere designet på en plan solfanger er mere 38

40 begrænset. Det betyder, at vakuumrørsolfangerne i nogle temperaturintervaller både kan være mest og mindst effektive i forhold til de plane solfangere, mens både de bedste og dårligste plane solfangere typisk befinder sig i mellemregionen af vakuumrørsolfangerne. Værd at bemærke er det også, at figurerne viser effektiviteten ved en vinkelkorrektionsfaktor på 0, hvilket betyder, at de plane solfangere her vises med deres højeste effektiviteter, mens vakuumrørsolfangerne, som vist på Figur 27, Figur 28, Figur 29 og Figur 30, rent faktisk kan præstere endnu bedre end billedet her antyder. Endeligt er det værd at bemærke, at der i dette projekt er et begrænset areal til rådighed til placering af solfangerne på taget af Øbrohallen. Effektivitetskurverne er lavet over solfangernes transparente areal, og da plane solfangere generelt har et større transparent areal i forhold til det samlede bruttoareal end vakuumrørsolfangerne, vil de altså kunne udnytte en større andel af den solstråling, som rammer solfangernes bruttoareal. Konklusionen må derfor være, at der endnu ikke kan træffes en afgørelse omkring, hvilken type solfanger, der vil have den bedste ydelse i tilknytning til Øbrohallen. De plane solfangere har den fordel, at det transparente areal her udgør en større del af bruttoarealet, hvilket er en stor fordel, når der er begrænset plads til rådighed til placering af solfangerne. Vakuumrørsolfangerne har derimod den fordel, at de er mere effektive pr. transparent areal, mens de samtidig er i stand til at udnytte en endnu større andel af solenergien, når de tværgående indfaldsvinkler bliver store. Således må der foretages yderligere undersøgelser, før det kan konkluderes, hvilken solfanger, der har den bedste ydelse. 39

41 1,2 Variation i effektivitet for plane solfangere med og uden dæklag samt vakuumrørsolfangere η [-] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Plane solfangere Pladefang med dæklag ere Plane solfangere Udækkede uden dæklag Vakuum Vakuumrørsolfan gere 0, Tm-Ta [ ] Figur 35 Effektivitetintervaller baseret på det transparente areal for plane solfangere, udækket solfanger og vakuumrørsolfangere ved G = 800 W/m 2 og indfaldsvinkel 0. 1,2 Variation i effektivitet for plane solfangere med og uden dæklag samt vakuumrørsolfangere 1,0 η [-] 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Tm-Ta [ ] Plane solfangere med dæklag Pladefangere Plane solfangere Udækkede uden dæklag Vakuum Vakuumrørsolfan gere Figur 36 Effektivitetintervaller baseret på det transparente areal for plane solfangere, udækket solfanger, vakuumrørsolfangere ved G = 400 W/m 2 og indfaldsvinkel 0. 40

42 3. Generelle retningslinjer for svømmehaller I det følgende gives en kort beskrivelse af de retningslinjer, der gælder for vand- og lufttemperaturer i en svømmehal, hvilket vil være afgørende for energibehovet i en svømmehal og dermed Øbrohallen. En offentlig svømmehal skal leve op til en række krav vedrørende hygiejne og komfort. Den danske standard, DS 477, beskriver en lang række af disse krav. De af kravene, som har relevans for denne opgave, omhandler selvfølgelig vand og lufttemperatur samt relativ luftfugtighed. Nedenfor er listet vejledende vandtemperaturer. Med fed er fremhævet de bassiner, der har relevans for Øbrohallen [5]. Bassintype Vejledende vandtemperatur Springbassin Svømmebassin Sportsbassin Undervisningsbassin Terapi-/behandlingsbassin Varmtvandsbassin Morskabsbassin Bølgebassin Babybassin Soppe-/plaskebassin Spabassin Tabel 1 Vejledende vandtemperaturer i offentlige svømmehaller. Lufttemperaturen kan sættes til at være 2 højere end vandtemperaturen i svømmebassinet, dog minimum 28 [6]. Dette gælder selvsagt ikke for varme bassiner, som spabade og lignende, hvor en lufttemperatur højere end bassintemperaturen, vil kræve lufttemperaturer over 40 grader. Desuden ønskes en designværdi for den relative luftfugtighed. Af energimæssige årsager ønskes denne at blive sat så højt som muligt, mens den af hensyn til bygningsmaterialer og klima ønskes at blive holdt under et maksimum. Dette maksimum afhænger af anvendte bygningsmaterialer, bygningens udformning og lignende, og det kan derfor variere fra svømmehal til svømmehal, hvor høj en relativ luftfugtighed, man bør acceptere. Der findes imidlertid nogle vejledende retningslinjer for velkonstruerede svømmehaller, som foreskriver en relativ luftfugtighed på max 40-45% om vinteren, og max 70-75% i sommerperioden [6]. Da Øbrohallen blev totalrenoveret for ganske få år tilbage, antages det, at konstruktionerne i hallen kan leve op til disse vejledende værdier for den relative luftfugtighed, og de vil derfor blive benyttet videre i opgaven. 41

43 4. Øbrohallen I dag styring af bassiner og luft I det følgende beskrives det, hvordan bassinerne i Øbrohallen styres i dag samt hvilke temperaturniveauer de ligger på hver især. Dette vil have betydning for bassinernes energibehov, som igen vil influere på solvarmeanlæggets ydelse. Øbrohallen består som sagt i dag af 5 bassiner af forskellige typer. Det fremgår nedenfor hvilke typer bassiner, der findes i Øbrohallen: 25 meters svømmebassin Babybassin Undervisningsbassin Relaxbassin (Varmtvandsbassin) Spabassin Temperaturen i bassinerne opretholdes ved hjælp af en varmeveksler tilsluttet fjernvarme. Hvert bassin har eget separat rensningsanlæg tilsluttet. Rensningsprocessen foregår via cirkulation af vandet, hvorved vandet gennemløber en række filtre samt kemiske rensningsprocesser. På cirkulationsstrengen sidder også en sekundær streng, hvor en del af cirkulationsmængden kan hentes ind til en varmeveksler tilsluttet fjernvarmen, hvor vandet kan opvarmes til den ønskede temperatur. Processen er identisk for alle fem bassiner, og er således vist for et af bassinerne på bilag 10. Luften i svømmehallen styres via et CTS system. Lufttemperaturen i hallen, hvor svømmebassinet samt baby- og undervisningsbassinet befinder sig, holdes konstant 2 C højere, end temperaturen i svømmebassinet. I øvrige rum, det vil sige rum med spabad og relaxbassin, holdes temperaturen på samme niveau som i svømmehallen, mens den relative luftfugtighed i disse lokaler også har samme målværdi som i hallen med det store svømmebassin. Temperaturerne i de 5 forskellige bassiner, som de er i dag, fremgår af Tabel 2 og kan ligeledes findes i bilag 11. Som det ses, er der god overensstemmelse med de vejledende temperaturer i Tabel 1. Temperaturerne i Tabel 2 er baseret på øjebliksmålinger, og vil således ikke være nøjagtig disse værdier hele tiden, men variere over døgnet. Værdierne i Tabel 2 er derfor et billede på, hvilke temperaturniveauer bassinerne i Øbrohallen ønskes at holdes omkring. 42

44 Bassintype Vejledende vandtemperatur [ ] Svømmebassin (vol. 944m 3 ) 26 Undervisningsbassin (vol. 41m 3 ) 30 Babybassin (vol. 18 m 3 ) 34 Relaxbassin (vol. 46m 3 ) 35 Spa-bassin (vol. 9m 3 ) 38 Tabel 2 Vejledende temperaturer for Øbro-hallens bassiner. Af hensyn til begrænsninger i programmet Polysun, som benyttes til at udføre beregningerne, foretages et par simplificeringer i forhold til de ovenfor beskrevne forhold: - Luftfugtigheden forudsættes konstant - Lufttemperaturen forudsættes konstant - Der skelnes ikke mellem, om der er personer i bassinerne eller ej Den relative luftfugtighed sættes til en middelværdi mellem vinter og sommer, nemlig 58%. Desuden forudsættes temperaturen i luften altså også konstant. Som det senere vil fremgå, er middeltemperaturen i det store svømmebassin 27 på årsbasis. Således antages lufttemperaturen at have en konstant værdi 2 højere, altså

45 5. Beregningsforudsætninger I det følgende er det mere detaljeret angivet hvilke forudsætninger, der gøres i forbindelse med beregningerne foretaget i Polysun, samt hvor stor en betydning disse simplificeringer givet vis vil have. For at fastsætte det samlede varmebehov må temperatur, vandmængde, brug, luftmiljø og vandspild være kendt for hvert bassin. Derfor beskrives de forudsætninger, som benyttes til fastsættelsen af varmebehovet for hvert enkelt bassin i det følgende. 5.1 Svømmebassin Tabel 3 nedenfor viser data, som senere vil blive benyttet til beregninger vedrørende fastsættelse af varmebehovet for svømmebassinet. Bassinfakta Overfladeareal 300 m 2 Bassintemperatur Bassinvolumen 944 m 3 Bassincirkulation 270 m 3 /timen Tilført spædevand grundet spild, 0,35% af bassinvolumet per dag fordampning, hygiejne m.m. U-værdi, bund+vægge 0,3 W/K/m 2 RH, Vinter 45% RH, Sommer 70% RH, middel 58% Tabel 3 Beregningsforudsætninger for 25m svømmebassin i Øbro-hallen. Spædevandsmængderne kan, inklusiv filterskylning, regnes til 3-6 m 3 /m 2 bassinareal om året [6]. For svømmebassinet, hvor personbelastningen er mindre per overfladeareal end i øvrige bassiner, og hvor temperaturen og dermed fordampningen også er mindre, sættes denne størrelse til 4 m 3 /m 2 bassinareal om året, mens den for alle øvrige bassiner sættes til 6 m 3 /m 2 bassinareal om året. 44

46 5.2 Undervisningsbassin Af Tabel 4 ses forudsætninger benyttet til beregning af varmebehov for undervisningsbassinet. Bassinfakta Overfladeareal 48 m 2 Bassintemperatur Bassinvolumen 41 m 3 Bassincirkulation 120 m 3 /timen Tilført spædevand grundet spild, fordampning, 1,9% per dag hygiejne m.m. U-værdi, bund+vægge 0,3 W/K/m 2 RH, Vinter 45% RH, Sommer 70% RH, middel 58% Tabel 4 Beregningsforudsætninger for undervisningsbassin i Øbrohallen. 5.3 Babybassin Tabel 5 nedenfor viser forudsætninger benyttet til beregning af varmebehov for babybassinet. Bassinfakta Overfladeareal 16,5 m 2 Bassintemperatur Bassinvolumen 18 m 3 Bassincirkulation 90 m 3 /timen Tilført spædevand grundet spild, fordampning, 1,5% per dag hygiejne m.m. U-værdi, bund+vægge 0,3 W/K/m 2 RH, Vinter 45% RH, Sommer 70% RH, middel 58% Tabel 5 Beregningsforudsætninger for babybassin i Øbrohallen. 5.4 Relaxbassin Beregningsforudsætninger for relaxbassinet fremgår af Tabel 6 nedenfor. Bassinfakta Overfladeareal 40 m 2 Bassintemperatur Bassinvolumen 46 m 3 Bassincirkulation 135 m 3 /timen Tilført spædevand grundet spild, fordampning, 1,4% per dag hygiejne m.m. U-værdi, bund+vægge 0,3 W/K/m 2 RH, Vinter 45% RH, Sommer 70% RH, middel 58% Tabel 6 - Beregningsforudsætninger for relaxbassin i Øbrohallen. 45

47 5.5 Spabassin Beregningsforudsætninger for det sidste bassin, spabassinet, fremgår af Tabel 7 nedenfor. Bassinfakta Overfladeareal 11,25 m 2 Bassintemperatur Bassinvolumen 9 m 3 Bassincirkulation 120m 3 /timen Tilført spædevand grundet spild, fordampning, 2,1% per dag hygiejne m.m. U-værdi, bund+vægge 0,3 W/K/m 2 RH, Vinter 45% RH, Sommer 70% RH, middel 58% Tabel 7 - Beregningsforudsætninger for spabassin i Øbrohallen. 5.6 PolySun Disse opstillede forudsætninger benyttes alle af Polysun til beregning af det enkelte bassins varmebehov. Nedenfor er opstillet den varmebalance for et bassin, som Polysun benytter [7], og som vil gælde for hvert enkelt af de 5 bassiner. [Ændring af energi i bassinet] = [energi tilført via solvarmeanlæg] + [energi tilført via supplerende opvarmning] - [energi tabt pga. fordampning] - [energi tabt pga. konvektion] - [energi tabt gennem bund+sider af bassin ] [energi tabt grundet tilførsel af spædevand] [Energi tabt grundet stråling til hallens overflader] På symbolform kan varmebalancen således skrives som: Q supp dækker her i virkeligheden over den energi, som tilføres via fjernvarme. Der vil dog i Polysun i stedet anvendes kedler til simulering af den energimængde, der kommer fra fjernvarmen. Polysun har dermed udeladt følgende led på positivsiden: [energi tilført via personer i poolen] + [energi tilført via lamper og lys] + [energi tilført via direkte solstråling gennem vinduer]. Det undersøges, om det er rimeligt at udelukke disse bidrag til varmebalancen. Først undersøges ledet: [energi tilført via lamper og lys] Det vides ikke, hvor stor en effekt belysningen i Øbrohallen har, men af [6] kan der til belysning af et 25 meters svømmebassin benyttes 16 projektører med en effekt på mellem W, hvoraf 60% kan regnes at gå i bassinet. Dette giver en maksimal energitilførsel på: 46

48 Med en åbningstid på 7-23, 318 dage om året bliver den årlige energitilførsel grundet belysning dermed: Det undersøges hernæst, hvad betydningen er af ledet: [energi tilført via personer i poolen] Varmetilførslen fra personer estimeres ligeledes. Personer afgiver mellem W afhængigt af deres størrelse og aktivitet [6]. Det estimeres, at der i gennemsnit er 10 mennesker i bassinet i åbningstiden med varierende størrelse og aktivitet. Dermed bliver det årlige energitilskud fra badende personer til svømmebassinet i omegnen af: Solindfaldet gennem vinduerne i Øbrohallen kan med god sikkerhed negligeres, da vinduerne er belagt med solfilm mens bassinets placering nedsænket i en gryde gør, at en stor del af solindfaldet ikke vil gå i bassinet alligevel. 2 af bassinerne er desuden placeret i kælderen, hvor der slet ingen vinduer er. På negativsiden er følgende led udeladt: [Øget fordampningstab grundet aktivitet i poolen] + [varmetab i cirkulationsrør] Det vurderes, hvorvidt det øgede fordampningstab grundet aktivitet i poolen med rette kan negligeres. Nedenstående formel angiver fordampningen fra en okkuperet pool [8]. Løses ligningen med hensyn til svømmebassinet i Øbrohallen, hvor der er 29 i gennemsnit på årsbasis og en relativ luftfugtighed på 58%, fås følgende resultater for henholdsvis 1 og 40 badende gæster: 1 gæst: 40 gæster: Enheden på energitabet er uklart defineret i litteraturen, men det relativt øgede fordampningstab ved 40 gæster i bassinet i forhold til 1 gæst er på kun 2,5%. Da bassinet i snit regnes at have 10 personer i bassinet i løbet af åbningstiden og i øvrigt er tomt resten af tiden, anses det altså for rimeligt at se bort fra dette forøgede fordampningstab. Der findes samtidig en række udtryk, som beskriver fordampningen fra en pool, og afhængigt af hvilket der anvendes, kan resultatet variere betragteligt [8]. Derfor vil det normalt være en fordel at 47

49 sammenfatte reelle målinger med teorien, og derved fastlægge, hvilket udtryk der passer bedst til det givne miljø. Da der ikke findes data for energiforbrug for de enkelte bassiner for sig i Øbrohallen, og heller ikke er installeret det nødvendige udstyr til at foretage de nødvendige målinger, kan det imidlertid ikke lade sig gøre at lave en sådan valideret model. Således bekræftes det også, at det ikke giver mening at begynde at kigge på en model, der tager højde for aktivitet i poolen, da det altså ikke vides, hvilken model, der passer bedst til Øbrohallen. Varmetabet i cirkulationsrørene medtages for de 3 varmeste bassiner, da cirkulationsmængden er ret stor og derfor vurderes varmetabet herved at være af en vis betydning. Den medtages ikke for svømmebassinet og undervisningsbassinet, da temperaturen i rørene her er henholdsvis lidt lavere og lig med rumtemperaturen, hvorfor der ikke vil være noget varmetab fra bassinvandet her. Det er beskrevet senere hvordan dette varmetab indregnes. På årsbasis negligerer Polysun således et energitilskud til bassinerne, som må betragtes som værende større end det negligerede energitab. I særdeleshed når det øgede energitab i cirkulationsrørene fra de varme bassiner alligevel medregnes, som det vil blive her. Af energitabene er det således kun det øgede fordampningstab grundet aktivitet i bassinerne, som ikke medtages, og som det netop er bevist, er størrelsen af dette forholdsvis begrænset. Da det er et energitilskud og ikke et energitab, der negligeres, kan beregningerne dermed siges at være på den sikre side. Konsekvensen i virkeligheden vil blot være, at fjernvarmeforbruget vil blive reduceret svarende til det energitilskud som ikke er medregnet fra belysning og personer. Dermed accepteres det, at disse led er udeladt, mens det holdes i mente, at fjernvarmeforbruget i virkeligheden vil være lavere end beregnet. I det følgende er det beskrevet, hvordan Polysun beregner varmebehovet for et svømmebassin [7]. 1) Varmeoverførsel til jorden omkring bassinet gennem bassinets bund og vægge. Varmeoverførsel til jord gennem bassinets bund og vægge beregnes af formlen: Hvor A vægge er det samlede areal af bassinets bund og vægge. T jord sættes af Polysun lig med rumtemperaturen for indendørs bassiner. Denne antagelse kan i visse tilfælde være meget forkert. Da alle bassiner imidlertid er omgivet af opvarmet kælder og dermed ikke er omgivet af jord, antages denne tilnærmelse at passe godt på bassinerne i Øbrohallen. 2) Varmetab grundet fordampning. Polysun beregner varmetab grundet fordampning via følgende formel: 48

50 Formlen gælder både for indendørs og udendørs bassiner og tager hverken højde for antallet af personer i poolen eller omfanget af personernes aktivitetsniveau, som ellers, som tidligere beskrevet, har betydning for dette leds størrelse. Som det dog tidligere er vurderet, kan det godt forsvares at negligere dette. 3) Varmetab på grund af stråling til omgivelserne. Da der er tale om indendørs bassiner vil udstrålingen ikke foregå mod himlen, men derimod mod de omgivende indendørs overflader. T sky angiver altså temperaturen for de omgivende indendørs overflader. Da der ikke er angivelse af væggenes og lofternes termiske egenskaber i Polysun, vil programmet ikke kunne regne disse temperaturer, og programmet benytter således rumtemperaturen som en tilnærmelse af overfladernes temperatur. Jo bedre bygningen er isoleret, jo mere præcis vil denne tilnærmelse være. Da Øbrohallen er forholdsvis nyrenoveret, og da strålingstabet kun udgør en lille del af det samlede energitab, antages denne tilnærmelse at være acceptabel. 4) Varmetab på grund af konvektion. Ingen af bassinerne dækkes på noget tidspunkt over med en dug, og derfor vil det sidste led i formlen i alle tilfælde være 1. Det friske, kolde vand, som tilføres bassinerne pga. fordampning og spild, kaldes spædevand. Dette skal selvfølgelig varmes op til den ønskede bassintemperatur. Hvor meget energi, der skal bruges herpå, afhænger af mængden af spædevand, der tilføres bassinet, samt hvor mange grader spædevandet skal varmes op. Spædevandsmængderne til de enkelte bassiner er angivet i Tabel 3-Tabel 7. 5) Varmetab på grund af tilført spædevand beregnes som: Polysun tager ikke selv højde for varmetabet i cirkulationsrørene, men da varmetabet her for de varme bassiner er af en væsentlig størrelse, medtages dette led alligevel. Det foregår ved at øge den reelle spædevandsmængde med en størrelse, der svarer overens med det varmetab, der finder sted i cirkulationsrørene. En nærmere beskrivelse af metode samt størrelsen heraf følger herefter. 5.7 Varmetab i cirkulationsrør Varmetabet i cirkulationsrørene i tilknytning til varmtvandstanken samt de 3 varmeste bassiner beregnes. Hvor det i Polysun er muligt at angive varmetabet i cirkulationsrøret til varmtvandstanken som en procentdel af det årlige energiforbrug, er det ikke muligt at angive det til bassinerne. Det vil således blive nærmere beskrevet senere hen, hvordan cirkulationstabene til bassinerne indregnes. Det 49

51 er ikke nødvendigt at beregne tabene i cirkulationsrørene til svømmebassinet og undervisningsbassinet, idet vandtemperaturen her enten er den samme eller maksimalt 1-2 C lavere end den omgivende lufttemperatur, hvorfor varmetabet her kan negligeres. Af bilag 12 estimeres længderne af de øvrige bassiners cirkulationsrør samt cirkulationsrøret med bruservandet. Cirkulationsrørene føres i teknikkælderen i render under gulvet overdækket med metalriste. Den samlede længde af cirkulationsrørene bestemmes som overslag og er sammenfattet i Tabel 8 nedenfor. Horisontal [m] Vertikal [m] I alt [m] Baby Relax Spa Bruser Tabel 8 Længder af cirkulationsrør Varmetab i cirkulationsrør til bruservand Det antages, at indløbstemperaturen i cirkulationsrøret er 50. Hermed forudsættes det, at blandingen mellem varmt og koldt vand foregår i umiddelbar nærhed af bruserne. Varmetabskoefficienten kan beregnes af nedenstående formel [9]: Følgende parametre gælder for det valgte cirkulationsrør: Varmeledningsevne, Rør, r [W/mK] Varmeledningsevne, isolering, i [W/mK] Indre rør diameter, d i [m] Ydre rør diameter, d u [m] Ydre isolerings diameter, d 2 [m] 401 0,037 0,0584 0,0624 0,1024 Længde af rør [m] Flow I rør [l/s] Indløbstemperatur I rør [W/m 2 K] [ ] 284 0, ,69 Tabel 9 Materialeparametre for cirkulationsrør. Disse parametre giver ved indsættelse i formel (XI) en varmetabskoefficient på 0,3945 W/mK. Kølingen I røret kan hernæst beregnes. Af nedenstående formel kan et tilnærmet udtryk for kølingen i røret findes [9]. Nedenstående formel, som altså er et tilnærmet udtryk, giver dermed temperaturforskellen på indløbsog udløbstemperaturen i røret [9]. 50

52 Volumenstrømmen i røret er 2500 l/h, hvilket svarer til 0,694 l/s, som er den enhed q har i formlen. Med de angivne parametre bliver kølingen i røret 0,79K. Varmetabet bliver dermed: På årsbasis giver det følgende energitab i cirkulationsrøret: I Polysun beregnes varmetabet i cirkulationsrøret som en procentandel af det samlede forbrug til varmt vand. Det beregnes derfor, hvor stor en procentdel varmetabet i cirkulationsrøret udgør af det samlede varmtvandsforbrug. Det årlige forbrug af varmt vand ved 50 kan beregnes ud fra det årlige antal gæster, som i gennemsnit svarer til personer, jævnfør bilag 13. Hver person antages at forbruge 60 liter brusevand [6], hvoraf 70% er varmt vand ved 50, når den gennemsnitlige koldtvandstemperatur er 10. Det samlede forbrug til varmt vand svarer således til en energimængde på følgende: Dermed udgør varmetabet i cirkulationsrøret følgende af det samlede forbrug til varmt vand: Foruden varmetabet i cirkulationsrøret til varmtvandstanken, vil der også opstå varmetab i cirkulationsrørene til de bassiner, der har en højere temperatur end luften. Dette gælder for spabassinet, relaxbassinet og babybassinet. Undervisningsbassinet har som nævnt samme gennemsnitstemperatur som luften, og derfor vil der ikke foregå nogen varmeveksling i cirkulationsrøret her, mens svømmebassinet har en gennemsnitstemperatur 2 K lavere end luften. Altså vil der her være et lille tilskud af energi til bassinet, som dog negligeres. Varmetabene i de 3 cirkulationsrør beregnes således i det følgende Varmetab i cirkulationsrør til Spabassin Varmetabet i cirkulationsrøret til spabassinet beregnes med samme metode som i cirkulationsrøret til varmtvandsbeholderen. Således bruges formel (XI) til at beregne varmetabskoefficienten for røret. Tabel 10 viser data for cirkulationsrøret. 51

53 Varmeledningsevne, Rør, r [W/mK] Varmeledningsevne, isolering, i [W/mK] Indre rør diameter, d i [m] Ydre rør diameter, d u [m] Ydre isolerings diameter, d 2 [m] 401 0,037 0,45 0,46 0,5 Længde af rør [m] Flow I rør [l/s] Indløbstemperatur I rør [W/m 2 K] [ ] 71 33, ,69 Tabel 10 Data for cirkulationsrør til spabassin Således bliver rørets varmetabskoefficient, U 1, køling i rør, ΔT, samt varmetab, formlerne (XI), (XII) og (XIII) som angivet i Tabel 11 nedenfor., beregnet ud fra U 1 [W/mK] ΔT [ ] [W] 2,2653 0, Tabel 11 Varmetabskoefficient, køling samt varmetab for cirkulationsrør til spabassin. På årsbasis bliver dette varmetab til følgende energimængde: Da varmetab fra cirkulationsrør til bassiner ikke kan indtastes i Polysun, lægges det ind over tabet grundet tilførelse af spædevand. Det beregnes således, hvor meget spædevandsmængden skal øges i beregningerne, for at opnå et tilsvarende varmetab. Formlen nedenfor angiver, hvordan tabet grundet spædevandstilførsel beregnes: Den reelle volumentilførsel,, er sat til 2,1% af bassinets volumen pr. døgn, altså 0,189 m 3 /d, hvilket giver et varmetab på følgende, når der regnes med en middeltemperatur i poolen på 39 og en koldtvandstemperatur på 10 : Tilføjes varmetabet fra cirkulationsrøret, beregnes det således, hvor stor en procentdel der skal udskiftes, for at opnå et tilsvarende varmetab på årsbasis: Løses ovenstående ligning med hensyn til X, fås det, at der skal udskiftes 14,8% af bassinvolumenet pr. døgn, for at opnå et varmetab, der inkluderer både det reelle tab grundet udskiftning af bassinvand samt tabet i cirkulationsrøret. 52

54 5.7.3 Varmetab i cirkulationsrør til relaxbassin Den samme metode som for spabassinet benyttes her til at beregne varmetabet i cirkulationsrøret. Tabel 12 nedenfor viser data for cirkulationsrøret til relaxbassinet. Varmeldeningsevne, Rør, r [W/mK] Varmeledningsevne, isolering, i [W/mK] Indre rør diameter, d i [m] Ydre rør diameter, d u [m] Ydre isolerings diameter, d 2 [m] 401 0,037 0,475 0,485 0,525 Længde af rør [m] Flow I rør [l/s] Indløbstemperatur I rør [W/m 2 K] [ ] 90 37,5 35 7,69 Tabel 12 - Data for cirkulationsrør til relaxbassin Således bliver rørets varmetabskoefficient, U 1, køling i rør, ΔT, samt varmetab, formlerne(xi), (XII) og (XIII) som angivet i Tabel 13 nedenunder., beregnet ud fra U 1 [W/mK] ΔT [ ] [W] 2,3826 0, Tabel 13 - Varmetabskoefficient, køling samt varmetab for cirkulationsrør til relaxbassin På årsbasis bliver dette varmetab til følgende energimængde: Som for spabassinet omregnes energitabet, således at det kan indtastes i Polysun som et tab i form af spædevandstilførelse. Den reelle spædevandstilførelse er her 1,4% af bassinvolumenet per døgn, men ved hjælp af formel (X) beregnes den nye spædevandstilførelse, hvori der tages højde for tabet i cirkulationsrøret: Løses ligningen med hensyn til X, fås en spædevandstilførsel på 3,7% pr. døgn Varmetab i cirkulationsrør til babybassin Varmetabet i cirkulationsrøret til babybassinet beregnes med samme metode som i cirkulationsrøret til spabassinet og til relaxbassinet. Således bruges formel (XI) til at beregne varmetabskoefficienten for røret. Tabel 14 viser data for cirkulationsrøret. 53

55 Varmeledningsevne, Rør, r [W/mK] Varmeledningsevne, isolering, i [W/mK] Indre rør diameter, d i [m] Ydre rør diameter, d u [m] Ydre isolerings diameter, d 2 [m] 401 0,037 0,375 0,385 0,425 Længde af rør [m] Flow I rør [l/s] Indløbstemperatur I rør [W/m 2 K] [ ] ,69 Tabel 14- Data for cirkulationsrør til babybassin Således bliver rørets varmetabskoefficient, U 1, køling i rør, ΔT, samt varmetab, formlerne (XI), (XII) og (XIII) som angivet i Tabel 15., beregnet ud fra U 1 [W/mK] ΔT [ ] [W] 1,9137 0, Tabel 15 - Varmetabskoefficient, køling samt varmetab for cirkulationsrør til relaxbassin Dette varmetab giver følgende energimængde på årsbasis: Spædevandstilførelsen er 1,5% af bassinvolumenet per døgn for babybassinet. Det beregnes i det følgende, hvor stor den skal sættes, således at der også tages højde for tabet i cirkulationsrøret: Løses ligningen med hensyn til X, fås en spædevandstilførsel på 4,4% pr. døgn. De spædevandsmængder der således benyttes i Polysun og som dækker såvel spædevandstilførslen som cirkulationstabet fremgår af Tabel 16 nedenfor. Reel spædevandstilførsel Spædevandstilførsel ink. cirkulationstab Spabassin Relaxbassin Babybassin Undervisningsbassin Svømmebassin [%] [%] [%] [%] [%] 2,1 1,4 1,5 1,9 0,35 14,8 3,7 4,4 1,9 0,35 Tabel 16 Oversigt over spædevandsmængder med og uden hensyntagen til varmetab i cirkulationsrør angivet i % af bassinvolumen per døgn. 54

56 6. Styringsstrategier I det følgende vil de tre forskellige styringsstrategier, som ønskes undersøgt, blive beskrevet. Formålet med flere styringsstrategier er, at det ønskes at finde den styring, som sikrer den bedste ydelse af solvarmeanlægget og dermed den korteste tilbagebetalingstid. I dette afsnit følger en beskrivelse af de tre styringsstrategier, som undersøges i opgaven. Systemet skal bidrage med opvarmningen af det varme brugsvand i Øbrohallen, samt opvarmningen af de 5 bassiner, som findes i Øbrohallen. Solvarmen suppleres i alle tre tilfælde af fjernvarme, der aktiveres så snart der opstår et behov for opvarmning, som ikke kan klares ved solvarme. Denne størrelse vil som nævnt blive simuleret ved hjælp af kedler i Polysun. 6.1 Styringsstrategi 1 Den overordnede strategi for styringsstrategi 1 er hele tiden at lade solfangervæsken løbe derhen, hvor de laveste temperaturer optræder først. En principskitse af styringsstrategi 1 er vist på Figur 37 nedenfor. Figur 37 Principskitse af Styringsstrategi 1. Pumpen til solfangerkredsen aktiveres, når temperaturen i solfangervæsken ved solfangerfeltets udmunding er højere end vandet i varmvandsbeholderens nederste lag eller end temperaturen i det koldeste bassin, svømmebassinet, hvor temperaturen vil ligge i intervallet Den stopper igen, når temperaturen bliver lavere igen. Væsken fra solfangerne passerer herefter seks trevejsventiler, én for hvert bassin og én umiddelbart før indløbet til varmtvandsbeholderen. Temperaturerne måles hele tiden i både bassinerne og varmtvandstankens nederste lag, og styringsenheder sørger for, at ventilerne 55

57 åbner og lukker, så solfangervæsken ledes derhen, hvor vandet er koldest. Det er samtidig en forudsætning, at temperaturen i solfangervæsken er højere end temperaturen i det givne bassin eller tanken. Er dette ikke opfyldt ledes solfangervæsken uden om varmevekslerne og retur til solfangerne. Når der ikke er behov for opvarmning af et givent bassin, grundet høje temperaturer heri, løber solfangervæsken forbi varmeveksleren, om end den laveste temperatur skulle optræde her. Ved at lade det koldeste bassin optræde først på strengen, sikres det, at hver gang en trevejsventil åbner mod en varmeveksler, ledes solfangervæsken til det koldeste sted. Samtidig sender pumpestyringen et signal til pumpen på den modsatte side af varmeveksleren om at hente en del af den cirkulerende bassinvandsmængde ind til varmeveksleren. Den umiddelbare fordel ved denne styringsstrategi er, at solfangervæsken hele tiden løber til det koldeste sted, hvorfor det kan forventes, at afkølingen af solfangervæsken vil være optimal. Dermed kan det forventes, at der opnås en optimal udnyttelse af solvarmeenergien. På bilag 14 er en udførlig skitse taget fra Polysun af styringsstrategi 1 vist, samt en beskrivelse af tre scenarier, som forventes at kunne udspille sig med denne styringsstrategi. 6.2 Styringsstrategi 2 Den overordnede strategi for styringsstrategi 2 er at lade solfangervæsken aflevere så meget energi som muligt, til så mange bassiner som muligt på samme tid. Dette skal sikres ved at lade solfangervæsken passere varmeveksleren med tilknytning til det varmeste bassin først, og herefter aflevere den overskydende energi til det bassin med den næsthøjeste temperatur, og fortsætte sådan, indtil den sidste energi afleveres det koldeste sted. Udformningen af dette system er stort set identisk med det for styringsstrategi 1, med den væsentlige forskel, at bassinernes placering på strengen er vendt rundt. Fordelen ved dette system er, at der kan afleveres energi flere steder på samme tid. En principskitse for styringsstrategi 2 er vist på Figur 38. Som det fremgår, er eneste forskel til styringsstrategi 1, at bassinernes placering er byttet rundt, mens selve styringen selvfølgelig vil foregå på en anden måde. 56

58 Figur 38 Principskitse for Styringsstrategi 2 Pumpen til solfangerkredsen aktiveres på samme måde som i styringsstrategi 1, altså når temperaturen i solfangervæsken ved solfangernes udløb er højere end enten temperaturen i bunden af varmtvandstanken, eller temperaturen i det koldeste bassin, svømmebassinet. Det varmeste bassin, spabassinet, befinder sig her som det første på strengen. Når temperaturen i solfangervæsken er større end temperaturen i bassinet, åbner den første ventil og sender solfangervæsken ind til spabassinets eksterne varmeveksler. Denne placering af bassinerne på strengen sørger for, at solfangervæsken hele tiden ledes til det bassin, hvor temperaturen er højest, først. Fordi temperaturerne her er de varmeste, sikres det, at solfangervæsken stadig vil have energi til rådighed til at forsyne de koldere bassiner med varme. Temperaturcensorer måler, om returvandet fra varmeveksleren er varmt nok til at kunne aflevere yderligere energi, eller om det skal retur til solfangerne. Den umiddelbare fordel ved denne styringsstrategi er, at der opnås en god fordeling af solvarmen, således at alle bassiner samt varmtvandsbeholderen vil få et bidrag fra solvarmen. Samtidig må det forventes, at der opnås en optimal afkøling af solfangervæsken, da den altid vil gennemløbe de koldeste steder til sidst. Derved opnås samtidig en optimal ydelse af solvarmeanlægget. I sammenligning med styringsstrategi 1 foregår udvekslingen af solenergi her i flere varmevekslere, og kravet til de enkelte varmeveksleres varmeoverføringsevne vil således være mindre her i sammenligning med styringsstrategi 1. På bilag 15 er en udførlig skitse fra Polysun af styringsstrategi 2 vist, samt en beskrivelse af tre scenarier, som forventes at kunne udspille sig med denne styringsstrategi. 57

59 6.3 Styringsstrategi 3 Denne styringsstrategi giver mulighed for at forsyne flere bassiner med solvarme på samme tid, fra hver deres selvstændige solfangerkreds. Således er hvert enkelt bassin tilknyttet dets eget solfangerfelt, som også er tilknyttet varmtvandstanken. Der styres, som i styringsstrategi 1, efter at sende solfangervæsken mod det koldeste sted. Volumenstrømmen til varmtvandsbeholderen vil altså variere, afhængig efter, hvor mange af bassinerne, der er koldere end vandet i bunden af varmtvandstanken. Såfremt alle bassiner er koldere end vandet i bunden af varmtvandstanken, vil der ikke løbe noget solfangervæske mod tanken, og omvendt, er temperaturen i bunden af tanken lavere end i alle bassinerne, vil ingen af bassinerne modtage solvarme, og der vil være fuld volumenstrøm til tanken. Bassinernes placering på strengen er her ikke af nogen betydning, idet solfangervæsken enten løber til det enkelte bassin eller til varmtvandsbeholderen. Der er altså ikke mulighed for at afgive eventuel overskudsvarme til øvrige bassiner. På Figur 39 ses en principskitse over styringsstrategi 3. Figur 39 Principskitse af styringsstrategi 3 Hver af de 5 pumper til solfangerkredsene aktiveres og deaktiveres på samme måde, som i de to foregående styringsstrategier. Solfangervæsken passerer først en trevejsventil, som enten åbner mod bassinet eller varmtvandsbeholderen, afhængigt af temperaturen i bassinet og bunden af tanken. Der styres efter at sende solfangervæsken derhen, hvor de laveste temperaturer optræder. Hvad enten solfangervæsken har været igennem en varmeveksler til et bassin eller til tanken, løber den direkte tilbage til solfangerne. 58

60 Med denne styring vil der med stor sandsynlighed hele tiden afleveres solvarme i varmtvandsbeholderen, dog vil volumenstrømmen hertil variere, afhængigt af hvor mange af bassinerne, der modtager energi fra deres respektive solvarmeanlæg. Den umiddelbare fordel ved denne styringsstrategi er, at det er muligt at tilpasse hver enkelt solfangerkreds efter det givne behov. Samtidig er styringen forholdsvis enkel, da der i hver kreds blot skal sammenlignes 2 temperaturer. Det forventes ikke, at denne styringsstrategi kan producerer ligeså meget solvarme, som de øvrige styringsstrategier, men det er uvist hvor stor forskellen vil vise sig at være. På bilag 16 er en udførlig skitse fra Polysun af styringsstrategi 3 vist, samt en beskrivelse af tre scenarier, som forventes at kunne udspille sig med denne styringsstrategi. 59

61 7. Dimensionering af referenceanlæg Formålet med følgende afsnit er at dimensionere størrelserne på de forskellige komponenter til det referencesystem, som skal danne grundlag for dels sammenligningen mellem de tre styringsstrategier og dels sammenligningen mellem de forskellige solfangere. Der dimensioneres et referencesystem med både høj og lav volumenstrøm. Senere, når styringsstrategien er fastlagt og solfangerne er testet mod hinanden med den valgte styringsstrategi vil de bedste solfangere fra hver kategori gennemgå en parameteranalyse, hvor komponenternes endelige størrelser fastlægges. 7.1 Solfangerareal Solfangerarealet til opvarmning af et svømmebassin, bestemmes erfaringsmæssigt til % af bassinets overfladeareal [10]. Dette er en tommelfingerregel, som dog ikke kan anvendes her. Dels er der hele 5 bassiner med forskellige temperaturniveauer, som gør det usikkert, om denne regel stadig er gældende, og dels skal solvarmeanlægget også tjene til opvarmning af varmt brugsvand. Ydermere er der tale om en begrænsende faktor i form af det til rådighed værende tagareal, hvor solfangerne kan placeres. Således fastsættes solfangerarealet ud fra den plads, der er til rådighed på Øbrohallens tag, idet alene svømmebassinets overfladeareal er på størrelse med tagarealet. Af bilag 17 og bilag 18 findes arbejdstegninger, som viser Øbrohallens tagudformning. Her ses det, at solfangerne kan placeres på den skrå del af taget, som har en hældning på 25,2 (bilag 18) og er 6 m langt og ca. 50 m bredt, som markeret med skråskravering på Figur 40 nedenfor. Den centrale del af tagudformningen er udført i glas, og er derfor ikke velegnet til installation af tunge solvarmepaneler. Det er således kun den skraverede del af taget, som er særligt velegnet til opstilling af solfangere, idet det tilsvarende areal på den modsatte side af tagryggen, har en dårlig orientering i forhold til solen jævnfør Figur

62 mm Figur 40 Skitse af Øbrohallens tagudformning. I de indledende beregninger, hvor styringsmetoden skal fastlægges, vælges en typisk plan solfanger samt en typisk vakuumrørsolfanger til alle beregningerne. Da der også skal være plads til den nødvendige rørføring mellem solvarmepanelerne, vurderes det, at der vil være plads til omkring 250 m 2 solfangere. Selve det transparente areal vil være mindre end bruttoarealet og kan variere meget fra solfanger til solfanger, hvilket vil have stor betydning for resultaterne. Senere, når de enkelte solfangere skal sammenlignes med hinanden, vil denne størrelse blive bestemt helt præcist. Således vil solfangernes egnethed til montering på tagkonstruktionen også være en væsentlig faktor, når de forskellige solfangere senere sammenlignes. Ved alle indledende beregninger arbejdes dog med et bruttosolfangerareal på 250 m 2 gældende for alle solfangere. I virkeligheden vil solfangernes dimensioner være afgørende for den nøjagtige størrelse af det samlede bruttoareal. Dette forhold tages der dog først højde for, når den endelige solfanger udvælges. Det vælges ikke at lade solfangerne følge tagets hældning, som er for lille. I stedet vælges til referenceanlægget en hældning på Orientering Orienteringen af solvarmepanelerne bestemmes ved hjælp af Google Maps. På Figur 41 nedenfor ses Øbrohallens orientering i forhold til nord, som er illustreret med den hvide pil. Det er altså den del af taget, som vender mod atletikbanen, hvor solfangerne skal placeres. 61

63 Nord 36,9 Figur 41 Øbro-hallens orienteering ved hjælp ad google maps. Solfangerne orienteres altså i en sydvestlig retning. En orientering stik syd svarer til en orientering på 0 og øst +90. Altså bliver Øbrohallens orientering -36,9, eller +323,1, som vist på Figur Bestemmelse af volumenstrøm Der skelnes her mellem to forskellige typer af systemer, henholdsvis et system med en høj volumenstrøm og et system med en lav volumenstrøm Høj volumenstrøm Her tilstræbes en volumenstrøm på 1-1,2 l/min/m 2 solfangerareal. Dermed bliver volumenstrømmen med et solfangerareal på 250 m 2 følgende: En volumenstrøm på l/h vælges som reference for den høje volumenstrøm. Denne volumenstrøm vil dog ikke kunne gennemløbe en enkelt solfanger, da solfangerne alle har angivet en maksimal tilladt volumenstrøm, som for alle solfangerne anvendt i denne opgave, ligger under l/h. For at imødegå dette, må solfangerne parallelforbindes. Hvor mange parallelforbindelser der skal være afhænger af, hvor stor en volumenstrøm, der maksimalt kan gennemløbe den enkelte solfanger. Dermed kan antallet af parallelforbindelser, som solfangerne skal forbindes i regnes ved: 62

64 Antallet af parallelforbindelser, som hver enkelt type solfanger forbindes i, bestemmes ikke, da det ikke vil påvirke beregningerne i Polysun. Det vil dog blive bestemt for det system, som i sidste ende udvælges som det foretrukne. Den angivne volumenstrøm gælder for styringsstrategi 1 og 2. I styringsstrategi 3 er solfangerarealerne delt op i 5 lige store arealer á 50 m 2, hvorfor volumenstrømmen her må divideres med 5, hvilket giver en volumenstrøm på 3200 l/h Lav volumenstrøm Ved et system med lav volumenstrøm tilstræbes 0,1-0,3 l/min/solfangerareal. Til et sådant system vil volumenstrømmen skulle ligge imellem: Som omregnet til liter per time bliver: Her vælges en volumenstrøm på 4000 l/h som reference for den lave volumenstrøm. Som for den høje volumenstrøm vil det også her være nødvendigt at forbinde solfangerne i en række parallelforbindelser, således at solfangernes maksimalt tilladte volumenstrøm ikke overgås. Igen skal volumenstrømmen divideres med 5 for styringsstrategi 3, hvormed volumenstrømmen her bliver 800 l/h. 7.4 Bestemmelse af rørdimensioner Rørdimensionerne bestemmes for henholdsvis høj- og lav volumenstrøm. Det er vigtigt at vælge korrekte rørdimensioner, som passer til volumenstrømmen, for at sikre acceptable hastigheder i rørene, således at alle luftbobler i rørene elimineres, mens for høje hastigheder vil give store tryktab, hvilket bør undgås[11]. Rørdimensionerne bestemmes ud fra volumenstrømmen samt den ønskede hastighed i rørene. Formel (XV) nedenfor viser sammenhængen mellem rørets indre diameter samt volumenstrøm og hastighed: Ved de valgte volumenstrømme bør hastighederne i rørene helst ligge mellem 0,5 og 1 m/s af hensyn til udviklingen af luftbobler i rørene, som ovenfor beskrevet. Dermed fås følgende sammenhæng mellem hastigheder, volumenstrøm og indvendig rørdiameter for styringsstrategi 1 og 2 som vist i Tabel 17 nedenfor. 63

65 Volumenstrøm Volumenstrøm Ønskede hastigheder [m/s] Mulige rørdiametere [mm] Valgt rørdiameter [mm] Hastighed [l/h] [m 3 /s] [m/s] , , ,5 0, , , ,5 0,90 Tabel 17 Rørdimensioner, volumenstrømme og hastigheder for Styringsstrategi 1 og 2. I styringsstrategi 3 bliver dimensionerne som vist i Tabel 18 nedenfor. Volumenstrøm Volumenstrøm Ønskede hastigheder [m/s] d i,mulig [mm] d i, valgt [mm] Hastighed [l/t] [m 3 /s] , , , , Tabel 18 Rørdimensioner, volumenstrømme og hastigheder i solfangerkreds for Styringsstrategi 3. Som standard isoleres rør til solvarmeanlæg med mm isolering. Det vælges således til referencesystemet at isolere udvendige rør med 30 mm isolering og de indvendige rør med 20 mm isolering. [m/s] 7.5 Rørlængder I det følgende bestemmes længderne af frem - og returløbsrørene i solfangerkredsen fra solfangerne på taget til varmtvandsbeholderen i kælderen. Med fremløbsrør menes således rørføringen fra solfangerne til varmevekslerne, mens der med returløbsrør menes rørføringen fra varmevekslerne til solfangerne på taget. Rørføring fra tag til teknikkælder foregår i alle tilfælde via eksisterende skakter i hjørnerne af bygningen. Placeringen af disse skakter er markeret med henholdsvis A og B på Figur 42. Længderne for styringsstrategi 1 og 2 er ens, mens de vil variere i forhold til styringsstrategi 3. Længderne vil blive estimeret på ca. mål, da den præcise udvendige rørlængde kan variere afhængigt af den valgte solfanger. Da der skal laves undersøgelser for omkring 50 forskellige solfangere, er det derfor vurderet, at det er mest hensigtsmæssigt at bestemme en generel rørlængde Rørlængder i solfangerkreds for styringsstrategi 1 og 2 På Figur 42 nedenfor ses en skitse over rørføringen af frem og returløbsrøret til solfangerne på taget ved styringsstrategi 1 og 2. 64

66 Figur 42 skitse af solfangernes placering på taget ved styringsstrategi 1 og 2. Længden af frem - og returløbsrørene bestemmes ved hjælp af arbejdstegningerne vedlagt på bilag 17, bilag 18 og bilag 19. Rørføringen fra taget til teknikkælderen foregår i de eksisterende skakter i hjørnerne af bygningen markeret på Figur 42 med henholdsvis A og B. Fremløbsrøret føres i den eksisterende skakt, A, mens returløbsrøret føres i den eksisterende skakt, B. Den lodrette afstand i begge skakter fra taget til teknikkælder er ca. 16,5 m (Bilag 18). Varmtvandsbeholderen og varmevekslerne er placeret i teknikkælder 4 jævnfør bilag 19. Den samlede længde af fremløbsrøret i teknikkælderen fra det kommer ud af skakten, A, og hen til varmtvandsbeholderen estimeres til 44 m. Den samlede længde af fremløbsrøret bliver da: 50 m + 6 m + 16,5 m + 44 m = 116,5 m (Heraf 56 m udvendig) længden af returløbsrøret fra det kommer ud i teknikkælderen af skakten, B, til det når varmtvandsbeholderen i teknikkælderen er estimeret til 33 m. Dermed bliver den samlede længde af returløbsrøret altså: 50 m + 1 m + 16,5 m + 33 m = 100,5 m (Heraf 51 m udvendig) Rørlængder i solfangerkreds for styringsstrategi 3 I denne styringsstrategi er der 5 solfangerfelter af samme størrelse. Den udendørs rørføring vil derfor variere i denne styringsstrategi. Placeringen bliver som vist på Figur 43 nedenfor. Hver kasse repræsenterer et solfangerfelt med et brutto solfangerareal på 50m 2. 65

67 Figur 43 Skitse over solfangernes placering på taget ved styringsstrategi 3. Afstanden fra skakt A til skakt B er ca. 52 m og hvert felt fylder inklusiv rørføring ca. 10 m i bredden. Den horisontale afstand i kælderen fra skakt A til den sidste varmeveksler, som for alle bassiners vedkommende er varmeveksleren til varmtvandstanken, er 44 meter, mens den tilsvarende afstand fra skakt B er 33 meter. Den vertikale afstand fra taget til kælderen er også her 16,5 meter. Dermed bliver de estimerede afstande for de 5 solfangerfelter som vist i Tabel 19 nedenfor. Solfangerfelt til: Returløb i alt [m] Fremløb i alt [m] Heraf Returløb udvendig [m] Heraf Fremløb udvendig [m] Svømmebassin 97,5 91, Undervisningsbassin 76,5 70, Babybassin 87,5 81, Relaxbassin 66,5 60, Spabassin 77,5 71, Sum 405,5 375, Tabel 19 Rørlængder styringsstrategi 3 Disse estimerede rørlængder fastholdes for nemheds skyld for alle solfangere. Den udvendige rørføring vil i virkeligheden kunne variere afhængig af de enkelte solfangere, men det er disse rørlængder, som anvendes til referencesystemet, som er gældende for alle solfangere. Når et endeligt anlæg er fundet, bestemmes rørføringen mere præcist. 66

68 7.6 Bestemmelse af størrelse på kedler til bassiner I det følgende vil størrelserne på de kedler, som i Polysun anvendes til at simulere den mængde energi, der i virkeligheden kommer fra fjernvarmen, bestemmes. Det vides ikke, hvilken effekt fjernvarmen yder til bassinerne i Øbrohallen i dag. Således må det kontrolleres, at de kedler der anvendes under simuleringen, er i stand til at opretholde de ønskede temperaturer i de respektive bassiner. Størrelsen af kedlerne til bassinerne bestemmes således, at det sikres, at kedelen kan levere en tilstrækkelig stor effekt til, at den ønskede maksimum temperatur for de respektive bassiner, overhovedet kan opnås. Til bestemmelse af kedelstørrelsen benyttes varmebalancen fra afsnit 5.6, som ser ud som følger: Løses denne ligning numerisk fås følgende resultat: Når det beregnes hvor lang tid det tager kedlerne at varme bassinerne op, antages det, at der ikke er noget bidrag fra solvarmen. Indsættes udtrykkene for de forskellige varmetab, som tidligere er blevet beskrevet, og ses der bort fra bidraget fra solvarmen, kommer udtrykket således til at se ud som følger. Det vurderes at fjernvarmen vil kunne yde op til 100 kw, og det tilstræbes derfor at holde kedelstørrelserne på maksimum 100 kw Bestemmelse af kedelstørrelse til svømmebassin Som tidligere beskrevet, søges det at holde temperaturen i svømmebassinet mellem 26 C og 28 C. Det kontrolleres således i det følgende, om en kedel på 100 kw er tilstrækkelig til at opretholde dette temperaturniveau. Ligning (XVI) er løst i Excel og giver for svømmebassinet med en kedelstørrelse på 100kW følgende resultat, som angivet på Figur 44 nedenfor. 67

69 Temperaturudvikling i svømmebassin Temperatur [ ] 28,5 28,0 27,5 27,0 26,5 26,0 25, Tid [t] Temperatur i svømmebassin Target-temperatur i svømmebassin Figur 44 Temperaturudvikling I svømmebassin under opvarmning med fjernvarme. 30 timer er forholdsvis lang tid at gå fra minimum- til maksimum temperatur, men da det er antaget, at fjernvarme som standard vil yde max 100 kw, vælges denne størrelse til opvarmning af 25 meter bassinet Undervisningsbassin I undervisningsbassinet holdes temperaturen mellem 28 C og 30 C. På Figur 45 nedenfor ses temperaturforløbet i bassinet med en kedel størrelse på 50 kw. Temperaturudvikling i undervisningsbassin under opvarmning med fjernvarme Temperatur [ ] 31 30, , , , Tid [t] Temperatur i undervisningsbassin Target-temperatur i undervisningsbassin Figur 45 - Temperaturudvikling i undervisningsbassin under opvarmning med fjernvarme. Som det ses af Figur 45 er det alt rigeligt med en kedelstørrelse på 50 kw til undervisningsbassinet. 68

70 7.6.3 Babybassin I babybassinet holdes temperaturen mellem 32 C og 34 C. Med en kedel størrelse på 35 kw, fås følgende temperaturforløb i bassinet som angivet på Figur 46 nedenfor. Temperaturudvikling i babybassin under opvarmning med fjernvarme 34,5 Temperatur [ ] 34 33, , Tid [t] Temperatur i babybassin Target-temperatur i babybassin Figur 46 - Temperaturudvikling i babybassin under opvarmning med fjernvarme. Den valgte kedelstørrelse er således tilstrækkelig også i dette tilfælde Relaxbassin Det søges at holde temperaturen i relaxbassinet mellem 34 C og 36 C. Med en kedelstørrelse på 50 kw fås følgende forløb af temperaturen i bassinet, som illustreret på Figur 47 nedenfor. Temperaturudvikling i relaxbassin under opvarmning med fjernvarme Temperatur [ ] 36, , , , Tid [t] Temperatur i relaxbassin Target-temperatur i relaxbassin Figur 47 - Temperaturudvikling i relaxbassin under opvarmning med fjernvarme. 69

71 7.6.5 Spabassin Temperaturniveauet i spabassinet ligger mellem 38 C og 40 C. Med en kedelstørrelse på 35 kw fås følgende temperaturforløb i bassinet, som vist på Figur 48 nedenfor. Temperaturudvikling i spabassin under opvarmning med fjernvarme Temperatur [ ] 40, , , , Tid [t] Temperatur i spabassin Target-temperatur i spabassin Figur 48 - Temperaturudvikling i spabassin under opvarmning med fjernvarme. I Tabel 20 er således sammenfattet størrelserne på kedlerne, som anvendes til at simulere fjernvarmen ved beregningerne i Polysun. Tank [kw] Svømmebassin [kw] Undervisningsbassin [kw] Babybassin [kw] Relaxbassin [kw] Spabassin [kw] Kedelstørrelse Tabel 20 Størrelser på kedler ved simulering i Polysun. Det er hermed kontrolleret, at de valgte kedelstørrelser til bassinerne er tilstrækkelige til at opnå de ønskede temperaturer under simuleringen i Polysun. Kedelstørrelsen til tanken bestemmes senere, når varmtvandsforbrug og tankstørrelse er fastlagt. 7.7 Dimensionering af varmtvandstank Det er af stor betydning, at varmtvandstanken er korrekt dimensioneret, da en for stor tank vil give et forhøjet varmetab og dermed et unødigt energiforbrug, mens en for lille tank vil betyde, at behovet ikke kan dækkes, eller at ydelsen af solvarmeanlægget forringes. For at kunne dimensionere tanken korrekt, er det vigtigt at kende varmtvandsforbruget. Således bestemmes dette i det følgende Varmtvandsforbrug Varmtvandsforbruget estimeres i henhold til forskrifterne fra Dansk Svømmebadsteknisk forening [6]. Her foreskrives et forbrug til bruservand på 60 l/person. Antallet af besøgende i Øbrohallen over de 70

72 sidste fem år (bilag 13), samt det gennemsnitlige daglige varmtvandsforbrug, som er beregnet som 60 l/person, fremgår af Tabel 21 nedenfor. Besøgstal og varmtvandsforbrug 2009 [prs.] 2008 [prs.] 2007 [prs.] 2006 [prs.] 2005 [prs.] Gns [prs.] Varmtvandsforbrug [l/døgn] Januar Februar Marts April Maj Juni Juli August September Oktober November December Ialt Tabel 21 Besøgstal Øbrohallen Øbrohallen holder lukket i fire uger fra slutningen af juni til midten af juli måned, ligesom der er lukket på helligdage samt dagene mellem jul og nytår. Det daglige varmtvandsforbrug regnes altså ud for det antal af dage i løbet af hver måned, som Øbrohallen holder åbent. I december er der eksempelvis lukket mellem jul og nytår, og det daglige varmtvandsforbrug her bliver derfor større end i april, hvor det samlede antal besøgende over måneden er større. Der er i gennemsnit regnet med følgende åbne- og lukkedage på de 12 måneder. Januar Februar Marts April Maj Juni Åbne dage Lukkedage Juli August September Oktober November December Åbne dage Lukkedage Tabel 22 Åbne og lukkedage i Øbrohallen Af hensyn til at begrænse bakterieudviklingen i varmtvandsbeholderen skal temperaturen holdes over 50. Temperaturen ved aftapningen i bruseren er 38. Altså bliver den reelle aftapning fra varmtvandsbeholderen lavere end værdierne angivet i Tabel 21, idet det varme vand fra 1 Gennemsnit regnet uden år 2007, hvor lukkeperioden ikke fulgte de øvrige år 71

73 varmtvandsbeholderen blandes med koldt vand inden aftapning. Da koldtvandstemperaturen kan regnes at være 10, beregnes det, hvor stor en andel varmt vand, der skal produceres pr. døgn ved 50. (XVII) Således bliver den påkrævede mængde varmt vand, der i gennemsnit skal tappes fra varmtvandstanken ved 50 pr. døgn for hver måned som angivet i Tabel 23 nedenfor. Januar Februar Marts April Maj Juni V tap (l/døgn] Juli August September Oktober November December V tap (l/døgn] Tabel 23 Daglige varmtvandsaftapninger I Øbrohallen Herudover skal der tages højde for, at forbruget varierer over døgnet. Således vil der i løbet af døgnet være nogle spidsbelastningsperioder, hvor forbruget er meget højt, ligesom der vil være perioder, hvor forbruget er meget lavt. I Polysun er det muligt at definere det daglige forbrugsmønster, som definerer forbruget for hver enkelt time af døgnet. Forbrugsmønsteret bestemmes i forhold til Øbrohallens åbningstider samt de forventelige spidsbelastningsperioder. I Tabel 24 nedenfor ses forbrugsmønsteret, som det er estimeret for et typisk døgn i Øbrohallen. Time Forbrug [%] Time Forbrug [%] Time Forbrug [%] Tabel 24 Forbrugsmønster over et typisk døgn i Øbro-hallen. Dermed bliver det størst mulige timeforbrug 1841 l/t, som finder sted i januar måned. Dette timeforbrug skal senere anvendes, når størrelsen på varmtvandsbeholderen skal dimensioneres. Øbrohallens åbningstider kan ses af Tabel 25 nedenfor. Fra mandag til torsdag vil der desuden være klubber, som benytter Øbrohallen frem til klokken Ugedag Åbningstid Mandag 07:00-20:00 Tirsdag 07:00-20:00 Onsdag 10:00-20:00 Torsdag 07:00-20:00 Fredag 07:00-20:00 Lørdag 08:00-15:00 Søndag 08:00-15:00 Tabel 25 Åbningstider Øbro-hallen 72

74 Det er ikke muligt at angive mere end ét forbrugsmønster i Polysun, og derfor dækker det indtastede forbrugsmønster over et gennemsnit, som det vurderes at se ud for en typisk uge i Øbrohallen. I time 7, som dækker over tidsrummet , hvor Øbrohallen er lukket, er der alligevel indtastet et forbrug. Det skyldes at personalet møder klokken seks, hvor diverse rengøringsopgaver gør, at der her vil være et mindre varmtvandsforbrug Størrelse af tank En række retningslinier og overslagsberegninger benyttes til at fastlægge størrelsen på varmtvandstanken. Tommelfingerregelen om varmtvandstanke til solvarmeanlæg foreskriver en tankstørrelse på 50 l/m 2 solfangerareal. Med et solfangerareal på 250 m 2 giver dette således en tankstørrelse på l. Da Øbrohallen i forvejen har en vamtvandstank på I, vil det dog være økonomisk fordelagtigt, at forsøge at genbruge denne. Det undersøges således, om en tank på liter kan benyttes. I Polysun deles tanken op i 12 lag, hvor temperaturen kan variere fra lag til lag. Temperaturen inden for hvert enkelt lag forudsættes at være konstant gennem hele laget. Dette gøres for at simulere en virkelig situation, hvor vandet i toppen af tanken som regel vil være varmt, mens det kolde vand vil ligge i bunden af tanken. Det nederste og også koldeste lag kaldes for lag 1 i Polysun, mens det varmeste og øverste lag kaldes 12. Nedenstående Figur 49 viser tanken, som den er defineret i Polysun. Figur 49 Varmtvandstank som den er defineret i Polysun. 73

75 Følgende størrelser er således estimeret som udgangspunkt: Tank volumen Tank højde (indre) Tank diameter (indre) H/D forhold Afstand fra top af tank til bund af supp. vol. [m] [L] [m] [m] [-] ,00 2,06 1,46 1,2 Supplerende Volumen Antal lag i Supplerende volumen Nederste lag i Supplerende volumen Lag i tank hvor nederste temperatur sensor placeres [-] Isoleringstykkelse Top+sider/bund [L] [-] [-] [mm] /50 Tabel 26 Parametre der tages udgangspunkt i, i forbindelse med dimensionering af varmtvandstank. Hvor den nederste temperatur sensor skal placeres i den nedre del af det supplerende volumen. Da den nederste del af det supplerende volumen ikke inkluderer hele lag 8, er det valgt at placere den i lag 9. Temperaturcensoren styrer, hvornår den supplerende varmekilde skal aktiveres, og er sat til at gå i gang så snart temperaturen i laget falder til under 50. Således sikres det, at der hele tiden er varmt vand til rådighed i tanken. Foruden temperaturcensoren i den nedre del af det supplerende volumen, er der også placeret en temperaturcensor i det øverste lag, som styrer hvornår den supplerende varmekilde skal slå fra igen. Dette er den sat til at gøre ved 58. Herved sikres det, at temperaturerne ikke bliver for høje, hvilket ville skabe et unødigt varmetab. Den kan dog heller ikke blive sat for lavt, da de to temperaturcensorer i så fald ville kunne give modstridende signaler. Det kan hermed beregnes hvor stor en effekt kedelen, som i beregningerne benyttes til at simulere fjernvarmen, skal have for at kunne dække det nødvendige energiforbrug. Dette er gjort som simple overslagsberegninger nedenfor. Som tidligere beskrevet svarer spidsbelastningen i de perioder med højest besøgstal til et forbrug på 1841 l/h. Dette forbrug giver et samlet energiforbrug i én time på følgende: På samme måde er energimængden og timeforbruget for de øvrige perioder over et spidsbelastningsdøgn udregnet. Resultaterne er sammenfattet i Tabel 27 nedenfor. Forbrug [%] Forbrug [l/t] Energimængde [kwh] 21, Tabel 27 Timeforbrug og energimængde for januar måned i Øbro-hallen. Den samlede energimængde, som er til rådighed i tankens supplerende volumen svarer til: 74

76 Hvor det er forudsat, at gennemsnitstemperaturen i det supplerende volumen er 50, hvilket er konservativt sat, da temperaturen i de øverste lag som regel vil være højere. Ud fra disse beregninger kan den nødvendige effekt af kedlen bestemmes ud fra den daglige forbrugsprofil, som er beskrevet tidligere. Den bestemmes således, at der på intet tidspunkt er mindre energi i tanken, end hvad der tappes i den følgende time. Således bliver minimumsstørrelsen af kedlen som angivet nedenfor i Tabel 28 og illustreret på Figur 50. Time Kedel effekt [kw] Vandforbrug [l] Energitilførsel (angivet som max mulig, såfremt der er et behov) [kwh] Energi i supplerende volumen [kwh] Energi tappet [kwh] Tabel 28 Bestemmelse af kedeleffekt til supplerende volumen i varmtvandstank. 75

77 Energistrøm i supplerende volumen i tank Energimængde [kwh] Tilført fjernvarme Energi til rådighed i supplerende volumen Tappet energi Figur 50 Energistrøm I supplerende volumen i tank på et døgn med maksimal belastning og kedeleffekt på 65 kw. Her er det forudsat, at energimængden i det supplerende volumen ikke kan overstige de 187 kwh beregnet ovenfor. Det er med andre ord forudsat, at kedelen slår fra, så snart det supplerende volumen har en gennemsnitstemperatur på 50, hvorved det antages at det supplerende volumen er fuldt opladet. Som det fremgår, er energimængden til rådighed i den 21. time netop lig med den tappede energimængde, når en kedelstørrelse på 65 kw vælges. Kedelen skal altså minimum være på 65 kw. En kedel på 70 kw vælges, hvorved et eventuelt øget energiforbrug i form af eksempelvis tanktab og tab i cirkulationsrør også imødegås. Foruden de beskrevne størrelser skal det nævnes, at varmeveksleren mellem solfangerkredsen og tanken er en ekstern varmeveksler, hvor indløbet til tanken sker gennem en stratificeringslance. Således ser en skitse af tanken ud som følger: 76

78 Supplerende volumen: 4000 l Til brusere Tankvolumen total: l Tilførsel koldt vand Figur 51 Skitse af varmtvandstank, screenshot fra Polysun 7.8 Dimensionering af varmevekslere til kedler Som nævnt er det valgt at anvende brugen af kedler i Polysun til simulering af den energitilførsel, der i virkeligheden kommer fra fjernvarme. Til at klare den supplerende opvarmning af det varme brugsvand i varmtvandstanken, benyttes en varmespiral. Varmespiralen i varmtvandstankens supplerende volumen dimensioneres med hensyn til størrelsen på kedlen. Den dimensioneres af følgende formel [11]: Det antages, at der i kedlen og rørene er 15 liter væske, hvorved varmeoverføringsevnen for spiralen minimum skal være: Varmeoverføringsevnen for en spiral kan anslås at være 200 W/K/m 2 [11], hvorved overfladearealet på spiralen minimum skal være: 77

79 En Varisol Tauscher 3x48m med et areal på 15,3 m 2 fra kataloget i Polysun vælges således. De eksterne varmevekslere til alle øvrige kedler mindre end 70 kw, vælges med en varmeoverføringsevne på 5000 W/K, da det ikke er muligt at vælge en mindre varmeveksler i Polysun. Minimumsstørrelsen på varmeveksleren til kedlen på 100 kw, som forsyner det store svømmebassin beregnes således også af formel (XIV): Således vælges også her en varmeveksler med en kapacitet på 5000 W/K. 7.9 Varmevekslere i solfangerkreds Størrelsen på varmevekslerne i solfangerkredsen bestemmes. Den nødvendige varmeoverføringsevne for de eksterne varmevekslere i solfangerkredsen kan som tommelfingerregel sættes til 50 W/K per m 2 solfangerareal [11]. Dermed bliver den nødvendige varmeoverføringsevne til de eksterne varmevekslere i solfangerkredsen: I Polysun er det kun muligt at vælge en varmeveksler med en varmeoverføringsevne på W/K, som overstiger den krævede på W/K. Således vælges der til simuleringen varmevekslere med en varmeoverføringsevne på W/K. I styring 3 er solfangerarealerne som tidligere beskrevet delt op i 5 felter á 50 m 2. Således bliver kravet til varmevekslernes varmeoverføringsevne her 2500 W/K, og der vælges derfor at køre med de mindste varmevekslere i Polysun med en varmeoverføringsevne på 5000 W/K i styring 3. 78

80 7.10 Oversigt over referencesystem I det følgende bringes en oversigt over komponenterne til referencesystemerne for de 3 forskellige styringsstrategier. Der angives et referencesystem for såvel høj som lav volumenstrøm. Styringsstrategi 1+2 Størrelse Brutto-solfangerareal 250 m 2 Hældning på solfangere 45 Orientering -36,9 Flow i solfangerkreds, Høj/lav volumenstrøm l/h / 4000 l/h Indre rørdiameter, Høj/lav volumenstrøm 82,5 mm / 39,5 mm Hastighed i rør, Høj/lav volumenstrøm 0,85 m/s / 0,90 m/s Isoleringstykkelse, rør inde 20 mm Isoleringstykkelse, rør ude 30 mm Rørlængde ude, fremløb 56 m Rørlængde inde, fremløb 60,5 m Rørlængde ude, returløbløb 51 m Rørlængde inde, returløb 49,5 m Temperaturforskel for aktivering af pumpe 3 K Temperaturforskel for deaktivering af pumpe 1 K Varmeoverføringsevne for varmevekslere i solfangerkreds: Svømmebassin W/K Undervisningsbassin W/K Babybassin W/K Relaxbassin W/K Spabassin W/K Tank W/K Varmeoverføringsevne for varmevekslere til kedler: Svømmebassin 5000 W/K Undervisningsbassin 5000 W/K Babybassin 5000 W/K Relaxbassin 5000 W/K Spabassin 5000 W/K Tank 5000 W/K Størrelse af tank l Størrelse af kedel til simulering af fjernvarme til: Svømmebassin 100 kw Undervisningsbassin 50 kw Babybassin 35 kw Relaxbassin 50 kw Spabassin 35 kw Tank 70 kw Tabel 29 Oversigt over referencesystem for styringsstrategi

81 Styringsstrategi 3 Størrelse Brutto-solfangerareal 5x50 m 2 =250 m 2 Hældning på solfangere 45 Orientering -36,9 Flow i solfangerkreds, Høj/lav volumenstrøm 3200 l/h / 800 l/h Indre rørdiameter, Høj/lav volumenstrøm 34 mm / 17 mm Hastighed i rør, Høj/lav volumenstrøm 1,0 m/s / 1,0 m/s Isoleringstykkelse, rør inde 20 mm Isoleringstykkelse, rør ude 30 mm Rørlængde ude, fremløb 95 m Rørlængde inde, fremløb 280,5 m Rørlængde ude, returløbløb 125 m Rørlængde inde, returløb 280,5 m Temperaturforskel for aktivering af pumpe 3 K Temperaturforskel for deaktivering af pumpe 1 K Varmeoverføringsevne for varmevekslere i solfangerkreds: Svømmebassin W/K Undervisningsbassin W/K Babybassin W/K Relaxbassin W/K Spabassin W/K Tank W/K Varmeoverføringsevne for varmevekslere til kedler: Svømmebassin 5000 W/K Undervisningsbassin 5000 W/K Babybassin 5000 W/K Relaxbassin 5000 W/K Spabassin 5000 W/K Tank 5000 W/K Størrelse af tank l Størrelse af kedel til simulering af fjernvarme til: Svømmebassin 100 kw Undervisningsbassin 50 kw Babybassin 35 kw Relaxbassin 50 kw Spabassin 35 kw Tank 70 kw Tabel 30 Oversigt over referencesystem for styringsstrategi 3. 80

82 Desuden er følgende volumenstrømme på varmevekslernes sekundærside som udgangspunkt fundet som værende passende: Styringsstrategi Svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Tank Størrelse l/h 3000 l/h 2000 l/h 3000 l/h 2000 l/h 4000 l/h Tabel 31 Oversigt over volumenstrømme til varmevekslernes sekundærside ved simulering i Polysun med styringsstrategi

83 8. Kontrol af styringer Det kontrolleres hermed, om de 3 styringsstrategier fungerer efter hensigten, når der simuleres i Polysun. Til disse simuleringer er anvendt referencesystemerne beskrevet ovenfor med en høj volumenstrøm. Solfangeren som her er anvendt er en typisk plan solfanger ved navn Agena Azur 6, som også indgår i analysen i afsnit 2. Denne solfanger vil ikke her blive beskrevet nærmere, da der i dette afsnit ikke foretages en vurdering af resultaterne, men udelukkende en kontrol af styringerne. 8.1 Styringsstrategi 1 I styringsstrategi 1 styres der, som tidligere nævnt, hele tiden efter at sende solfangervæsken mod det koldeste sted. Som det ses af Figur 52 og Figur 53, som er lavet over den samme tidsperiode, er temperaturen i varmtvandstankens nederste lag fra time 1-5 lavere end i bassinerne. Volumenstrømmen i solfangervæsken til varmtvandstanken er derfor i denne periode l/h, mens volumenstrømmen til de øvrige bassiner i denne periode er 0 l/h. I denne periode fungerer styringen altså netop som tilsigtet. Herudover ses det, at temperaturen i bunden af tanken overstiger temperaturen i svømmebassinet og undervisningsbassinet i time 5, hvor flowet netop går til disse bassiner. I denne tidsperiode er der både flow til svømmebassinet, undervisningsbassinet og tanken, hvilket skyldes, at temperaturen i solfangervæsken stadig er tilstrækkelig høj, efter den har afleveret energi til først svømmebassinet og derefter undervisningsbassinet. I time 8 overgår temperaturen i bunden af tanken også temperaturen i babybassinet, og flowet går således også her i babybassinet. I time 11 går flowet ikke længere til tanken, da temperaturen i solfangervæsken her nu er lavere end vandet i bunden af tanken. I time 13 er der ikke længere flow til babybassinet, da temperaturen i solfangervæsken her falder til et niveau under temperaturen i babybassinet, og i time 14 er det undervisningsbassinet, der ikke længere modtager energi fra solfangervæsken, da temperaturen her falder under temperaturen i undervisningsbassinet. Det skal nævnes, at den konstant stigende temperatur i bunden af tanken skyldes, at perioden figurerne er lavet over, er første feriedag i juli måned, hvor der ingen aftapning af tanken er. 82

84 45 40 Temperaturer i bassiner, tank og solfangervæske - styring 1 Temperatur [ ] Tid [t] Figur 52 Temperaturer I bassiner, tank og solfangervæske for styring 1 i en 14 timers periode med solfangerpumpen i drift. Flow og temperaturer i bassiner og tank - styring Temperatur [l ] Volumenstrøm [l/t] Temperatur i svømmebassin Temperatur i undervisningsbassin Temperatur i bund af tank Flow i solvarme til undervisningsbassin Flow i solvarme til svømmebassin Temperatur i babybassin Flow i solvarme til tank Flow i solvarme til babybassin Figur 53 Flow og temperaturer i bassiner og tank for styring 1 i en 14 timers periode med solfangerpumpen i drift. 83

85 Hermed kunne det se ud som om, at styringen i styringsstrategi 1 foregår helt som forventet, men på Figur 54, som er lavet over et andet tidsrum end Figur 52 og Figur 53, ses det dog, at dette ikke altid er tilfældet. Her ses det, at flowet til bassinerne starter en time før, det egentlig burde, nemlig i time 7, hvor temperaturen i bunden af tanken først overstiger temperaturen i svømme- og undervisningsbassinet i henholdsvis time 8 og time 9. Her starter solfangervæsken altså med at gå i bassinerne én til to timer før den burde i henhold til styringsstrategien. Samtidig ses det, at solfangervæsken først i time 13 stopper med at gå i bassinerne, hvilket er en time for sent, da temperaturen allerede i 12. time er lavest i bunden af tanken. Ydermere kan det især undre, at solfangervæsken overhovedet går til babybassinet, da temperaturen i babybassinet på intet tidspunkt er lavere end i bunden af tanken. Det kan altså konkluderes, at der må ligge en vis usikkerhed i programmets styring. Da det ikke er til at spå om størrelsen af disse usikkerheder, foretages yderligere undersøgelser til fastlæggelse af størrelsen og dermed betydningen af usikkerheden i styringsmetoden. 84

86 Flow og temperatur i bassiner, tank og solfangervæske - styring 1 Temperatur [ ] Tid [t] Volumenstrøm [l/t] Figur 54 Temperaturer og flow i bassiner, tank og solfangervæske for styring 1 i en 13 timers periode med solfangerpumpen i drift. I det følgende estimeres størrelsen af fejlen i styringen. I Excel er det fundet, hvor mange timer om året, styringen ikke stemmer overens med hensigten, og i disse perioder er det fastlagt, hvor stor en mængde energi, der således overføres forkert. Dermed menes, hvor stor en mængde energi der eksempelvis overføres til et bassin, hvor den i virkeligheden burde være overført til tanken eller omvendt. 85

87 Figur 55 nedenfor viser, hvor mange timer, der på årsbasis bliver overført solvarme til de 5 bassiner, samt i hvor mange af disse timer, solvarmen er overført et forkert sted i henhold til styringsstrategien. Som det fremgår, er en stor del af tiden, hvor der overføres energi til bassinerne, i strid med den tilsigtede styringsstrategi. Især for de varme bassiner, er en meget stor del af den tid, hvor der overføres solvarmeenergi, i strid med styringen Oversigt over korrekt/ukorrekt overført solvarme i antal timer styring Timer med fejltilført solvarme Timer med tilført solvarme Figur 55 Oversigt over timer med henholdsvis total og ukorrekt tilført solvarme i henhold til styringsmodellen til de 5 bassiner gældende for styring 1. 86

88 Oversigt over korrekt/ukorrekt overført solvarmeenergi, styring , , Fejltilført solvarme Totalt tilført solvarme Figur 56 Oversigt over energimængde for henholdsvis korrekt og ukorrekt tilført solvarme i henhold til styringsstrategi 1 til de 5 bassiner og totalt. Som det fremgår af Figur 56, er det imidlertid kun en lille andel af den samlede mængde overførte solvarmeenergi, som bliver overført et forkert sted. Årsagen til dette er, at perioderne, hvor solvarmeenergien overføres forkert, er perioder, hvor temperaturforskellene på solvarmevæsken og de bassiner, der fejlagtigt modtager solvarmeenergi, er små. Således overføres der kun en lille mængde energi i sammenligning med den totale mængde overførte energi på årsbasis. Det omvendte scenarie, hvor der burde overføres energi til et bassin frem for tanken, udspiller sig kun en enkelt time på årsbasis, og må derfor siges at kunne negligeres helt. Fordelingen af den totale mængde korrekt/ukorrekt overførte solvarmeenergi ser dermed ud som på Figur 57 nedenfor. 87

89 Fordeling af korrekt/ukorrekt overført solvarme 0% 6% Ukorrekt overført solvarme til bassiner frem for tank Korrekt overført solvarme 94% Ukorrekt overført solvarme til tank frem for bassiner Figur 57 Fordeling af korrekt/ukorrekt overført solvarmeenergi i styring 1. I henhold til denne lille fejlmargin, vurderes det, at resultaterne for styring 1 stadig er brugbare. Fejlen betyder blot, at en række af bassinerne modtager noget solvarmeenergi, som med en korrekt styring, ville være gået til tanken i stedet. Da temperaturen i tanken og bassinerne i en stor del af disse perioder er meget tæt på hinanden, vil det således ikke betyde nogen markant forskel i solvarmeanlæggets totale ydelse, men altså blot, at andelen af solenergi til tanken i forhold til bassinerne ville være lidt højere med en korrekt styring, end resultatet antyder. 88

90 8.2 Styringsstrategi 2 I denne styringsstrategi er det planen, at solfangervæsken skal aflevere varme så mange steder som muligt samtidig, og slutte med at aflevere varme det koldeste sted. Det vil i det følgende blive kontrolleret, om styringen forløber efter hensigten, når der simuleres i Polysun. På Figur 58 ses det, at solfangervæsken løber direkte til tanken fra time 1-5. Det ses her, at temperaturen i solfangervæsken ved solfangerens udløb er så lav, at det kun er vandet i bunden af tanken som er koldt nok til at modtage solvarme. Temperaturen i samtlige bassiner ligger over temperaturen i solfangervæsken ved solfangerens udløb, og derfor forbigår solfangervæsken bassinerne, nøjagtigt som tilsigtet. I time 5 overstiger temperaturen i solfangervæsken også temperaturen i svømmebassinet, og derfor strømmer solfangervæsken også til svømmebassinet fra time 5. I 6. time overgår temperaturen i solfangervæsken temperaturen i undervisningsbassinet, babybassinet og relaxbassinet, og ganske som forventet ses det, at solfangervæsken hermed begynder at strømme til disse bassiner også. I 7. time overgår temperaturen i solfangervæsken også temperaturen i det varmeste bassin, spabassinet, og således strømmer solfangervæsken her også til spabassinet. I denne periode er der altså flow til alle bassinerne samt varmtvandstanken samtidigt. I 12. time er temperaturen I solfangervæsken faldet til under temperaturen i de 3 varmeste bassiner, spabassinet, relaxbassinet og babybassinet, og dermed strømmer der ikke længere solfangervæske til disse tre bassiner. I 13. time strømmer solfangervæsken heller ikke længere til de to sidste bassiner, da temperaturen her nu er lavere i solfangervæsken end i bassinerne. Temperaturen i solfangervæsken er gennem hele perioden højere end i bunden af tanken, og således strømmer solfangervæsken til tanken i hele perioden. I modsætning til styringsstrategi 1, er der i styringsstrategi 2 ikke nogle umiddelbare større udfald i styringen. Det kontrolleres dog på lige fod med styring 1, hvorvidt der er nogle udfald, og hvor stor betydningen af disse eventuelt er. 89

91 50 Flow og temperatur i bassiner, tank og solfangervæske - styring Temperatur [ ] Volumenstrøm [l/t] Tid [t] 0 Figur 58 - Temperaturer og flow i bassiner, tank og solfangervæske for styring 2 i en 13 timers periode med solfangerpumpen i drift. 90

92 Timer [t] Timer hvor solvarmevæsken fejlagtig strømmer til bassin/tank Totale antal timer, hvor solfangervæsken strømmer til bassin/tank Figur 59 - Oversigt over timer med henholdsvis total og ukorrekt tilført solvarme, grundet for lav temperatur i solfangervæsken, til de 5 bassiner og tanken gældende for styring 2. I styringsstrategi 2 er der fejl i styringen, når enten temperaturen i solfangervæsken er mindre end i bassinerne eller tanken, og alligevel kører dertil, eller når den er højere og ikke kører dertil. Som det fremgår af Figur 59, er der også her timer, hvor styringen ikke forløber efter hensigten, om end det sker i færre perioder end det var tilfældet for styring 1. Som det fremgår af Figur 60, er den overførte energi dog yderst minimal, da temperaturforskellene er meget små. Den overførte energi er rent faktisk positiv for alle bassinerne, hvilket må skyldes, at temperaturerne, der sammenlignes og dermed styrer flowet, er temperaturerne i solfangervæsken umiddelbart inden indløb til varmevekslerne og temperaturerne i bassinerne. Da temperaturforskellene er så små, vil temperaturen i bassinvæsken, grundet varmetab i rørene fra bassinet til varmeveksleren, være nået under temperaturen i solfangervæsken, når den når varmeveksleren, og således ender den overførte energi trods alt med at være positiv, om end tallet er meget småt. For varmeveksleren til tanken er den overførte energi negativ, men da den er mindre end -1 kwh på årsbasis, må den siges at være negligibel. 91

93 Oversigt over overført energi fra solfangervæske til bassiner/tank - styring Energi [kwh] , Fejloverført solvarmeenergi Total overført solvarmeenergi Figur 60 - Oversigt over energimængde for henholdsvis total og ukorrekt tilført solvarme, grundet for lav temperatur i solfangervæsken, til de 5 bassiner, tanken og samlet gældende for styring 2. Antallet af timer på årsbasis, hvor solfangervæsken ikke løber til et af bassinerne hvor den burde, er to for undervisningsbassinet, mens det er 0 for alle øvrige bassiner. Således kan denne fejl konkluderes at være helt ubetydelig, da der således ikke mistes noget energi på denne front. Antallet af timer, hvor solfangervæsken ikke løber til tanken, på trods af at temperaturen er større i solfangervæsken end i tanken, er på årsbasis 31 timer, og med en gennemsnitstemperatur på 0,6 K i disse tilfælde, kunne der være overført yderligere 56 kwh, hvilket må siges at være betydningsløst i den store sammenhæng. Dermed må styring 2 konkluderes at forløbe efter hensigten, når der simuleres i Polysun. 92

94 8.3 Styringsstrategi 3 I denne styringsstrategi er solfangerfeltet delt op i 5 separate felter, som hver betjener ét af bassinerne samt tanken som beskrevet i afsnit 6.3. Fra hvert felt kan solfangervæsken således enten løbe til bassinet, eller til tanken. Der styres som i styringsstrategi 1 efter koldeste temperatur. Figur 61 nedenfor viser temperaturerne i bassinerne og tanken over en 12 timers periode. Som det fremgår, skal solfangervæsken fra alle fem solfelter gå i tanken de første 4 timer, hvorefter den gradvist skal falde, for til sidst, efter 7. time, at blive nul. 60 Temperaturer i bassiner og tank 50 Temperatur [ ] Tid [t] Temperatur spabassin Temperatur relaxbassin Temperatur babybassin Temperatur svømmebassin Temperatur undervisningsbassin Temperatur Tank Figur 61 Temperaturer I bassiner og tank over en 12 timers periode i styring 3. Som det fremgår af Figur 62, foregår styringen ikke som forventet. I begyndelsen, hvor tanktemperaturen er lavest, er volumenstrømmen til tanken 3200 l/h, mens den er 0 til bassinet, som forventet. Da temperaturen i tanken i 4. time overstiger temperaturen i bassinet ses det imidlertid, at volumenstrømmen til tanken ikke falder til 0, mens volumenstrømmen til bassinet stiger, som den ganske rigtigt skal. Da styringen lægger op til, at der kun kan strømme solfangervæske til enten tank eller bassin på samme tid i samme solfangerkreds, må det altså konkluderes, at der er en uoverensstemmelse mellem programmets måde at regne på, og den tilsigtede styringsmodel. Det ses yderligere, at der fra den time ligeledes strømmer solfangervæske til både tanken og bassinet i samme solfangerkreds, hvilket altså burde være umuligt. 93

95 3500 Volumenstrøm i solfangervæske - solfangerfelt med undervisningsbassin Volumenstrøm [l/t] Tid [t] Volumenstrøm til undervisningsbassin Volumenstrøm til tank Figur 62 - Volumenstrøm i solfangervæske i felt hvor undervisningsbassin og tank er tilknyttet, styring 3. Da dette problem går igen i alle fem solfelter, som det fremgår af Figur 63, Figur 64, Figur 65 og Figur 66, er det begrænset, hvor pålidelige resultaterne for styringsstrategi 3 kan antages at være. Som det fremgår, er der fin overensstemmelse mellem temperaturerne i bassinerne og tanken samt tidspunktet for, hvornår solfangervæsken begynder at strømme mod bassinerne. Problemet ligger i, at strømmen til tanken enten stopper en time for sent, pludselig vender tilbage, eller slet ikke stopper, således at der er solfangervæske, som strømmer til både tank og bassin på samme tid inden for det samme solfangerfelt, hvilket altså burde være umuligt. 94

96 3500 Volumenstrøm i solfangervæske - solfangerfelt med relaxbassin Volumenstrøm [l/t] Tid [t] Volumenstrøm til relaxbassin Volumenstrøm til tank Figur 63 Volumenstrøm i solfangervæske i felt hvor relaxbassin og tank er tilknyttet, styring Volumenstrøm i solfangervæske - solfangerfelt med svømmebassin Volumenstrøm [l/t] Tid [t] Volumenstrøm til svømmebassin Volumenstrøm til tank Figur 64 - Volumenstrøm i solfangervæske i felt hvor svømmebassin og tank er tilknyttet, styring 3. 95

97 3500 Volumenstrøm i solfangervæske - solfangerfelt med babybassin Volumenstrøm [l/t] Tid [t] Volumenstrøm til babybassin Volumenstrøm til tank Figur 65 - Volumenstrøm i solfangervæske i felt hvor babybassin og tank er tilknyttet, styring Volumenstrøm i solfangervæske - solfangerfelt med spabassin Volumenstrøm [l/t] Tid [t] Volumenstrøm til spabassin Volumenstrøm til tank Figur 66 - Volumenstrøm i solfangervæske i felt hvor spabassin og tank er tilknyttet, styring 3. 96

98 Det undersøges, hvor stor en betydning denne fejl har for den udnyttede energi, ved at se hvor meget energi, der overføres i varmevekslerne i de perioder, hvor der ikke burde strømme solfangervæske til disse. Dette gøres, som for de 2 øvrige styringsmodeller i Excel. Figur 67 nedenfor viser fordelingen af henholdsvis korrekt og ukorrekt overført solenergi. Som det fremgår udgør den fejlagtigt overførte energi 10% af den samlede mængde overførte solvarmeenergi. I modsætning til styring 1 kan denne energi ikke umiddelbart siges at kunne overføres til tanken eller et af bassinerne i stedet, da denne fejlenergi netop er beregnet på tidspunkter, hvor der strømmer solfangervæske til begge varmevekslere i den givne solfangerkreds, hvilket ikke burde være muligt. Altså skal resultaterne i denne styring betragtes med en vis skepsis. For den her anvendte solfanger, skal der trækkes 10% fra den samlede producerede solvarmeenergi, for at få et realistisk billede. Dog kan det ikke garanteres, at dette tal i alle tilfælde vil være 10%, og derfor vil det være nødvendigt at foretage en lignende analyse, for at finde frem til, hvor meget energi der skal fratrækkes, såfremt det senere viser sig, at styringsstrategi 3 vil være at foretrække for en given solfanger, som ikke er denne. Fordeling af korrekt/ukorrekt overført solvarmeenergi - styring 3 10% 90% Korrekt overført energi Fejloverført energi Figur 67 fordeling af henholdsvis korrekt og ukorrekt overført solvarmeenergi i styring 3. 97

99 9. Valg af styringsstrategi for plane solfangere I dette afsnit søges det at finde den styringsstrategi, der med en plan solfanger opnår den bedste ydelse for solvarmeanlægget. I det følgende bringes resultaterne for de tre forskellige styringsstrategier med en høj volumenstrøm og den plane solfanger, Agena Azur 6, som er en af de solfangere, der blev analyseret i de indledende undersøgelser. Denne solfanger har et effektivitetsudtryk samt en indfaldsvinkelkorrektionsfaktor som angivet i Figur 68 og Figur 69 nedenfor. De samme simuleringer er foretaget med en lav volumenstrøm, hvor billedet viser sig at være nøjagtig det samme, men med lavere ydelser. Resultaterne for simuleringerne med den lave volumenstrøm er således ikke bragt i dette afsnit, men kan ses af bilag 20. Beregningerne i dette afsnit er alle foretaget med referencesystemerne beskrevet i afsnit For styringsstrategi 1 og 2 er anvendt referencesystemet beskrevet i Tabel 29, mens referencesystemet beskrevet i Tabel 30 er anvendt for styringsstrategi 3. Effektivitet for Agenza Azur 6 ved G=800W/m 2 η 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tm-Ta [ ] AgenaAzur6 Figur 68 Effektivitet for den plane solfanger Agena Azur 6, ved en solbestrålingsstyrke på 800 W/m 2. 98

100 1,2 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K ϴ, for Agena Azur 6 1 0,8 Kθ [-] 0,6 0,4 AgenaAzur6 0, θ [ ] Figur 69 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for Agena Azur 6. Denne plane solfangers effektivitetskurve ligger meget tæt op af den gennemsnitlige effektivitetskurve for de plane solfangere, om end en smule over. 99

101 9.1 Resultater med styringsstrategi 1 På Figur 70 og Figur 71 ses den overførte solvarmeenergi samt fordelingen af denne på de 5 bassiner og varmtvandsbeholderen for styringsstrategi 1. Nettoydelse[kWh] 20000, , , , , , , , , ,00 0,00 Nettoydelse af solvarmeanlæg - styringsstrategi 1, plan solfanger 25 m Svømmebassin Tank Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Måned [-] Figur 70 Nettoydelse af solvarmeanlæg med styringsstrategi 1 for plan solfanger med høj volumenstrøm. Som det ses af Figur 70, overføres der ikke noget solvarme til tanken i juli måned, hvilket skyldes at svømmehallen her er lukket, hvorfor der ikke foregår nogen aftapning af det varme vand i tanken. Dette betyder, at temperaturen i bunden af tanken hurtigt vil stige og blive højere end temperaturen i svømmebassinet, og dermed vil tanken ikke modtage yderligere solvarme, før temperaturen igen er lavere end i svømmebassinet. 100

102 Fordeling af solvarme - styringsstrategi 1, plan solfanger 53% 5% 42% Svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Tank 0% 0% 0% Figur 71 - Fordeling af solvarme ved styringsstrategi 1 for plan solfanger med høj volumenstrøm. Som det fremgår af Figur 71, er det kun de to koldeste bassiner samt varmtvandsbeholderen, som modtager solvarme. Dette skyldes, at temperaturen i bunden af tanken aldrig, eller kun sjældent, bliver varmere end temperaturen i babybassinet, relaxbassinet og spabassinet. Tabel 32 nedenfor viser brutto- og nettoydelsen for solvarmeanlægget med styringsstrategi 1. Styringsstrategi 1 Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Aug Sep Okt Nov Dec I alt Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Tabel 32 Ydelse af solvarmeanlæg for styringsstrategi 1 ved høj volumenstrøm og plan solfanger. Af Figur 72 nedenfor ses netto- og bruttoydelsen for solvarmeanlægget med henholdsvis lav- og høj volumenstrøm Som det ses, er såvel netto- som bruttoydelsen højest for systemet med høj volumenstrøm. 101

103 25000 Netto- og bruttoydelse for styringsstrategi 1, plan solfanger Ydelse [kwh] Måned Høj volumenstrøm, nettoydelse Høj volumenstrøm, bruttoydelse Lav volumenstrøm, nettoydelse Lav volumenstrøm, bruttoydelse Figur 72 Ydelse af solvarmeanlæg for plan solfanger ved styringsstrategi

104 9.2 Resultater med styringsstrategi 2 I denne styringsstrategi styres der som nævnt hele tiden efter at lede solfangervæsken hen til de varmeste steder først, hvor det er forudsat, at temperaturen i bunden af varmtvandstanken oftest er den laveste, hvorfor denne er placeret sidst på strengen. Af Figur 73 nedenfor ses nettoydelsen for solvarmeanlægget med styringsstrategi , ,00 Nettoydelse af solvarmeanlæg - styringsstrategi 2, plan solfanger Nettoydelse[kWh] 10000, , , , ,00 0,00 25 m Svømmebassin Tank Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Måned [-] Figur 73 Nettoydelse af solvarmeanlæg med styringsstrategi 2 for plan solfanger med høj volumenstrøm. Igen er der stort set ingen solvarme til tanken i juli måned, hvilket også her skyldes, at der ikke er nogen aftapning af tanken i juli måned, da svømmehallen her er lukket. 103

105 Fordeling af solvarme - styringsstrategi 2, plan solfanger 42% 42% Svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin 3% 3% 9% Spabassin Tank 1% Figur 74 Fordeling af solvarme ved styringsstrategi 2 for plan solfanger med høj volumenstrøm. Som det ses af Figur 73 og Figur 74 er det svømmebassinet og varmtvandstanken, som modtager den største andel af solvarmen over et helt år. Den del, der går til svømmebassinet og den del, der går til varmtvandstanken, er altså samlet set over hele året stort set helt ens, som det fremgår af Figur 74. Fordelingen på månedsbasis viser dog, at fordelingen er stærkt årstidsafhængig. Således modtager svømmebassinet langt den største andel af solvarmen i sommermånederne, mens varmtvandsbeholderen har en mere jævn fordeling over året, og endda langt overstiger svømmebassinet i vintermånederne. Var det således ikke for lukkeperioden i juli måned, ville andelen af solvarme, som går til varmtvandsbeholderen, være endnu større end tilfældet er. Som det ses modtager de varme bassiner her noget mere energi, end med styringsstrategi 1, hvilket skyldes, at de varme bassiner her modtager solvarmeenergi, så snart temperaturen i solfangervæsken overstiger temperaturen i bassinet. Det er dog vigtigt at fastslå, at den væsentlige faktor ikke er, hvorledes solvarmen fordeles på bassinerne, men derimod hvor stor en del af solvarmen, der samlet set udnyttes ved de forskellige styringsstrategier. Tabel 33 nedenfor viser netto- og bruttoydelsen for solvarmeanlægget med styringsstrategi 2. Styringsstrategi 2 Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Aug Sep Okt Nov Dec I alt Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Tabel 33 Netto- og bruttoydelse af solvarmeanlæg for styringsstrategi 2 ved plan solfanger med høj volumenstrøm. 104

106 Som det ses af Figur 75 nedenfor, produceres der en væsentlig større mængde solvarme ved den høje volumenstrøm end ved den lave Netto og bruttoydelse for styringsstrategi 2, plan solfanger Ydelse [kwh] Måned Høj volumenstrøm, nettoydelse Høj volumenstrøm, bruttoydelse Lav volumenstrøm,nettoydelse Lav volumenstrøm, bruttoydelse Figur 75 Netto- og bruttoydelse for plan solfanger ved styringsstrategi

107 9.3 Resultater med styringsstrategi 3 Styringsstrategi 3 er, som tidligere beskrevet, karakteriseret ved, at der er et selvstændigt solfangerareal til hvert bassin. Nettoydelsen samt fordelingen af denne kan ses af nedenstående Figur 76 og Figur 77. Nettoydelse[kWh] Nettoydelse af solvarmeanlæg - styringsstrategi 3, plan solfanger 25 m Svømmebassin Tank Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Måned [-] Figur 76 Nettoydelse ved styringsstrategi 3 for plan solfanger med høj volumenstrøm. Fordeling af solvarme - styringsstrategi 3 70% 12% 7% 4% 5% 2% Svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Tank Figur 77 - Fordeling af solvarme ved styringsstrategi 3 for plan solfanger med høj volumenstrøm. 106

108 Som det ses, er det varmtvandstanken, som klart den største andel af solvarmen går til. Det skyldes, at der i denne styringsstrategi hele tiden styres efter enten et bassin eller varmtvandstanken, afhængigt af, hvor temperaturen er lavest. Dermed vil der i store perioder hele tiden være en del af volumenstrømmen, som går til varmtvandsbeholderen. Først når temperaturen i varmtvandstanken er højere end i spabassinet, vil volumenstrømmen til tanken være nul. Det er således kun i de varmeste sommermåneder, hvor mængden af den producerede solvarmeenergi er meget stor, at temperaturen i varmtvandstanken bliver så høj, at solvarmen også går til spabassinet, og volumenstrømmen til varmtvandstanken er nul. Også i denne styringsstrategi er konklusionen dog, at den høje volumenstrøm giver det bedste resultat, hvilket fremgår af Figur 78 nedenfor. Styringsstrategi 3 Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Aug Sep Okt Nov Dec I alt Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Tabel 34 Netto- og bruttoydelse af solvarmeanlæg ved styringsstrategi 3 for plan solfanger med høj volumenstrøm Netto og bruttoydelse for styringsstrategi 3, plan solfanger Ydelse [kwh] Måned Høj volumenstrøm, totalt udnyttet Høj volumenstrøm, totalt produceret Lav volumenstrøm, totalt udnyttet Lav volumenstrøm, totalt produceret Figur 78 Netto- og bruttoydelse af solvarmeanlæg ved styringsstrategi 3 for plan solfanger. 107

109 9.4 Sammenligning af styringsstrategier for plane solfangere Som det fremgår af ovenstående resultater samt Figur 79 nedenfor, er det styringsstrategi 2, som er at foretrække ud fra en energimæssig betragtning. Her er både netto- og bruttoydelsen størst i sammenligning med de to øvrige styringsstrategier. Årsagen til, at styringsstrategi 1 ikke er lige så god som styringsstrategi 2 skal findes i varmevekslernes varmeoverføringsevne, som åbenbart ikke er god nok til at hive alt den energi ud af solfangervæsken, som er til rådighed. Når der styres efter det koldeste sted hele tiden, er det vigtigt af varmevekslerne disse steder er gode nok til at overføre al den energi, som er til rådighed i solfangervæsken, således at den sendes retur til solfangerne med den lavest mulige temperatur. Med de valgte varmeveklsere og den valgte volumenstrøm på sekundærsiden af varmevekslerne er dette dog ikke tilfældet. Derfor ender styringsstrategi 2 med at være bedre end styringsstrategi 1. Ydermere er det begrænset, hvor stort flowet på varmevekslerens sekundærside til især tanken kan være. Da tanken er på liter, ville et flow på l/h således betyde, at hele volumenet i tanken ville blive skiftet ud på en time, hvilket ikke er hensigtsmæssigt, da dette ville betyde, at det varme vand i toppen af tanken også ville blive skiftet i denne periode, såfremt der ikke er nogen aftapning. Derfor er det ikke nødvendigvis hensigtsmæssigt at øge flowet. Det er således ikke muligt, at hæve flowet på tankens sekundærside samt varmeoverføringsevnen på varmeveksleren til en sådan størrelse, at styringsstrategi 1 giver en ligeså høj ydelse af solvarmeanlægget som styringsstrategi 2. Ved styringsstrategi 2, hvor solfangervæsken ofte passerer alle varmevekslerne inden den sendes retur til solfangerne, er kravet til størrelsen af varmevekslerne og flowet på sekundærsiden mindre. Således afgiver solfangervæsken energi ved de varmere bassiner først inden den til sidst, når den allerede er afkølet i forvejen, afgiver den sidste energi til tanken. Hermed sendes solfangervæsken retur til solfangerne med en endnu lavere temperatur end i styringsstrategi 1, hvor varmevekslerne i kombination med flowet på sekundærsiden, altså ikke er gode nok. Styring 3 kan, ud fra en energimæssig betragtning, på ingen måde anbefales, da den producerer betragteligt mindre energi end de øvrige styringsmodeller, samtidig med, at der bør fratrækkes yderligere 10% af den producerede solvarmeenergi, som påvist i afsnit 7.3. Således vælges det at benytte styringsstrategi 2 med en høj volumenstrøm til de videre undersøgelser i rapporten med de plane solfangere. 108

110 25000 Netto- og bruttoydelse af solvarmeanlæg for styringsstrategierne 1, 2 og Ydelse [kwh] Styring 1, nettoydelse Styring 1, bruttoydelse Styring 2, nettoydelse Styring 2, bruttoydelse Styring 3, nettoydelse Styring 3, bruttoydelse Måned Figur 79 Netto- og bruttoydelse af solvarmeanlæg for styringsstrategierne 1, 2 og 3 med plan solfanger ved høj volumenstrøm. 109

111 10. Valg af styringsstrategi for vakuumrørsolfangere I dette afsnit søges det at finde den styringsstrategi, der med en vakuumrørsolfanger opnår den bedste nettoydelse for solvarmeanlægget. Det undersøges, hvilken styringsstrategi der er bedst ved brugen af vakuumrørsolfangere. Variationen af vakuumrørsolfangere er meget stor, som beskrevet i afsnit , men fælles for dem alle er, at de har en højere effektivitet ved høje temperaturer i solfangervæsken end plane solfangere. Beregningerne i dette afsnit er alle foretaget med referencesystemerne beskrevet i afsnit For styringsstrategi 1 og 2 er anvendt referencesystemet beskrevet i Tabel 29, mens referencesystemet beskrevet i Tabel 30 er anvendt for styringsstrategi 3. I det følgende er valgt solfangeren Pleion CRD 10 til undersøgelserne. Denne solfanger er valgt, fordi den adskiller sig væsentligt fra de plane solfangere, idet denne solfanger har sin højeste effektivitet ved større tværgående indfaldsvinkler som det fremgår af Figur 82 nedenfor, samt en lav varmetabskoefficient. Vakuumrørsolfangeren hører inden for kategorien af typen 2, som er defineret tidligere i rapporten i afsnit 2.6. Figur 80 nedenfor viser et tværsnit af vakuumrørene i denne type solfangere. I det følgende præsenteres og diskuteres resultaterne med vakuumrørsolfangeren beskrevet ovenfor. Det er gennem simuleringer i Polysun konstateret, at nettoydelsen for solvarmeanlægget med en lav volumenstrøm er højere end nettoydelsen med en høj volumenstrøm. Således bringes her en analyse af resultaterne for de tre styringsstrategier med en lav volumenstrøm, mens resultaterne for den høje volumenstrøm er bragt i bilag 21. Figur 80 - Tværsnit af rør i solfangeren Pleion CRD

112 0,6 Effektivitet for Pleion CRD 10 ved G=800 W/m2 og Kt og Kl 0 0,5 Effektivitet [-] 0,4 0,3 0,2 Pleion CRD 10 0, Tm - Ta [ ] Figur 81 Effektivitetskurve for vakuumrørsolfangeren Pleion CRD 10 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, kt[-] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt, for Pleion CRD θ [ ] Pleion CRD 10 Figur 82 Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for Pleion CRD

113 10.1 Resultater med styringsstrategi 1 Nettoydelsen af solvarmeanlægget samt fordelingen heraf fremgår af Figur 83 og Figur 84. Nettoydelse [kwh] Nettoydelse - styringsstrategi 1, vakuumrørsolfanger 25 m Svømmebassin Tank Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Måned [-] Figur 83 Nettoydelse på månedsbasis for styringsstrategi 1 ved lav volumenstrøm og vakuumrørsolfanger. Fordeling af solvarme - styringsstrategi 1, vakuumrørsolfanger 50% 50% Svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Tank 0% 0% 0% 0% Figur 84 Fordelingen af den overførte solvarme til tank og bassiner ved styringsstrategi 1 ved lav volumenstrøm og med vakuumrørsolfanger. 112

114 Her er fordelingen af solvarme mellem svømmebassinet og tanken helt lige, mens de øvrige bassiner ikke modtager noget solvarme, hvilket er et typisk billede for styringsstrategi 1. Igen ses det, at de varmere bassiner helt forbigås, og dermed må varmevekslerne til disse bassiner anses for at være overflødige i denne styringsstrategi. Af Tabel 35 ses nettoydelsen for solvarmeanlægget med styringsstrategi 1. Styringsstrategi 1 Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Aug Sep Okt Nov Dec I alt Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Tabel 35 Netto- og bruttoydelse af solvarmeanlæg med vakuumrørsolfangere ved styringsstrategi 1 og lav volumenstrøm. Som det ses af Tabel 35 er nettoydelsen meget tæt på bruttoydelsen for denne styringsstrategi, hvilket betyder at kun en lille del af den producerede solvarme går tabt i rørene. Dette er typisk ved en lav volumenstrøm. 113

115 Ydelse [kwh] Netto og bruttoydelse for styringsstrategi 1, vakuumrørsolfanger Måned Høj volumenstrøm, nettoydelse Høj volumenstrøm, bruttoydelse Lav volumenstrøm, nettoydelse Lav volumenstrøm, bruttoydelse Figur 85 Netto og bruttoydelse ved styringsstrategi 1, vakuumrørsolfanger. Som det fremgår af Figur 85, vil det ved styringsstrategi 1 med vakuumrørsolfangere, være fordelagtigt at vælge en lav volumenstrøm. Bruttoydelsen er stort set identisk ved de to volumenstrømme, mens nettoydelsen er en anelse højere ved den lave volumenstrøm. Da varmetabet er en del lavere i vakuumrørsolfangerne i sammenligning med de plane solfangere, har vakuumrørsolfangerne, som tidligere beskrevet, en større effektivitet ved store temperaturforskelle, og er altså derfor ikke så afhængige af lave temperaturforskelle, som de plane solfangere. Derfor ses det altså, at bruttoydelsen er stort set identisk ved henholdsvis den høje og lave volumenstrøm, med kun en meget lille og ubetydelig fordel til den høje volumenstrøm. Den lille fordel i form af øget bruttoydelse ved høj volumenstrøm i sammenligning med lav volumenstrøm, kommer imidlertid ikke til sin ret, da nettoydelsen er størst ved den lave volumenstrøm. Dette skyldes, at rørene ved den lave volumenstrøm er mindre end ved den høje volumenstrøm, og kombinationen af en højere volumenstrøm og større rørdiameter gør altså, at varmetabet i rørene bliver større ved den høje volumenstrøm end ved den lave, på trods af, at temperaturen i solfangervæsken er højest ved den lave volumenstrøm. 114

116 10.2 Resultater med styringsstrategi 2 Figur 86 og Figur 87 nedenfor viser, at fordelingen af solvarme bliver noget større ved styringsstrategi 2 end ved styringsstrategi 1, ganske som det også er tilfældet med den plane solfanger. Nettoydelse - styringsstrategi 2, vakuumrørsolfanger Nettoydelse[kWh] m Svømmebassin Tank Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Måned [-] Figur 86 Nettoydelse af sovarmeanlæg for styringsstrategi 2 med lav volumenstrøm og vakuumrørsolfanger. Fordeling af solvarme - styringsstrategi 2, vakuumrørsolfanger 43% 24% Svømmebassin Undervisningsbassin 13% Babybassin Relaxbassin 4% 11% 5% Spabassin Tank Figur 87 Fordelingen af solvarme til tank og bassiner ved styringsstrategi 2, lav volumenstrøm og vakuumrørsolfanger. 115

117 Tabel 36 nedenfor viser netto- og bruttoydelsen for solvarmeanlægget med styringsstrategi 2. Styringsstrategi 2 Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Aug Sep Okt Nov Dec I alt Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Tabel 36 Udnyttet og produceret solvarme styring 2 lav volumenstrøm Netto og bruttoydelse for styringsstrategi 2, vakuumrørsolfanger Ydelse [kwh] Måned Høj volumenstrøm, nettoydelse Høj volumenstrøm, bruttoydelse Lav volumenstrøm, nettoydelse Lav volumenstrøm, bruttoydelse Figur 88 Netto og bruttoydelse ved styringsstrategi 2, vakuumrørsolfanger. Som det fremgår af Figur 88, ligger kurverne for henholdsvis høj og lav volumenstrøm meget tæt, men da den lave volumenstrøm giver den største nettoydelse, må denne konkluderes at være fordelagtig for vakuumrørsolfangere ved styringsstrategi 2. Dette underbygges yderligere af, at en høj volumenstrøm vil betyde større udgifter til både anskaffelse og drift af pumpen, der skal drive solfangervæsken. 116

118 10.3 Resultater med styringsstrategi 3 I denne styringsstrategi er der et selvstændigt solfangerareal til hvert bassin. Af Figur 89 og Figur 90 nedenfor ses solvarmeanlæggets nettoydelse til tanken og bassinerne over et helt år samt fordelingen heraf. Nettoydelse - styringsstrategi 3, vakuumrørsolfanger Nettoydelse[kWh] m Svømmebassin Tank Undervisningsbassin Babybassin 0 Relaxbassin Spabassin Måned [-] Figur 89 Nettoydelse for styringsstrategi 3 ved lav volumenstrøm og vakuumrørsolfanger. Fordeling af solvarme - styringsstrategi 3, vakuumrørsolfanger 9% 6% 4% 4% 2% Svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin 75% Relaxbassin Spabassin Tank Figur 90 Fordelingen af den overførte solvarme til tank og bassiner ved styringsstrategi 3, lav volumenstrøm og vakuumrørsolfanger. 117

119 Af Tabel 37 nedenfor ses solvarmeanlæggets netto- og bruttoydelse. Styringsstrategi 3 Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Aug Sep Okt Nov Dec I alt Nettoydelse kwh Bruttoydelse kwh Tabel 37 Netto- og bruttoydelse af solvarmeanlæg for styringsstrategi 3 ved lav volumenstrøm og vakuumrørsolfanger. Produceret og udnyttet solvarme for styringsstrategi 3 med vakuumrørsolfanger Solvarme [kwh] Måned [-] Udnyttet solvarme, høj volumenstrøm Produceret solvarme, høj volumenstrøm Udnyttet solvarme, lav volumenstrøm Produceret solvarme, lav volumenstrøm Figur 91 Netto og bruttoydelse for styringsstrategi 3 ved høj og lav volumenstrøm med vakuumrørsolfanger. Figur 91 ovenfor viser, at bruttoydelsen er størst ved den høje volumenstrøm, mens nettoydelsen er en anelse større ved den lave volumenstrøm. Årsagen til, at der udnyttes mere energi ved den lave volumenstrøm er, at varmetabene i rørene er større ved den høje volumenstrøm, idet rørene her er større, og mængden af solfangervæske der løber igennem selvfølgelig også er større. Ved denne styringsstrategi og brugen af vakuumrørsolfangere, bør altså vælges en lav volumenstrøm. 118

120 10.4 Sammenligning af styringsstrategier for vakuumrørsolfangere Figur 92 nedenfor viser en oversigt over de tre styringsstrategiers resultater med en lav volumenstrøm. Det ses, at styringsstrategi 2 er en anelse bedre end de to øvrige styringsstrategier. Forskellen på styringsstrategi 1 og 2 er dog meget lille. Årsagen til, at forskellen mellem styringsstrategi 1 og 2 her er så lille skal ses i lyset af, at bruttoydelsen her er noget mindre end ved den plane solfanger. Ved bedre vakuumrørsolfangere, hvor ydelsen er større, vil billedet derfor formodentlig være det samme, som ved den plane solfanger, hvor varmevekslernes størrelse og især flowet på sekundærsiden til tankens varmeveksler er for lille ved styringsstrategi 1. Styring 3 kan slet ikke komme i betragtning, når der udelukkende vælges ud fra en energimæssig betragtning, da den dels ligger noget lavere end de 2 øvrige styringsmodeller og dels bør fratrækkes minimum yderligere 10% af den producerede solvarmeenergi, som påvist tidligere. Således vælges det at benytte styringsstrategi 2 med en lav volumenstrøm til de videre undersøgelser i rapporten med vakuumrørsolfangere. Solvarmeenergi [kwh/måned] Netto- og bruttoydelse for styringsstrategierne 1, 2 og 3 med vakuumrørsolfangere Måned [-] Styring 1 udnyttet Styring 1 produceret Styring 2 udnyttet Styring 2 produceret Styring 3 udnyttet Styring 3 produceret Figur 92 Netto- og bruttoydelse for solvarmeanlæg med vakuumrørsolfanger af typen 2 ved lav volumenstrøm. 119

121 11. Sammenligning af plane solfangere I det følgende afsnit vil resultaterne for simuleringerne i Polysun med de plane solfangere beskrevet i afsnit 2 blive præsenteret og analyseret. Simuleringerne er foretaget med det samme referencesystem for alle solfangerne samt med styringsstrategi 2 og høj volumenstrøm. Da der anvendes samme styringsstrategi samt referencesystem, som er beskrevet i afsnit 7.10 Tabel 29, er det i dette tilfælde tilstrækkeligt at sammenligne solvarmeanlæggenes bruttoydelse. Af Figur 93 nedenfor ses det, hvordan bruttoydelsen fordeler sig på månedsbasis over et helt år for hver af de plane solfangere. Figur 94 viser solvarmeanlæggenes bruttoydelse over et helt år Bruttoydelse for plane solfangere Bruttoydelse [kwh/måned] Måned [-] Agena Azur 6 IDM GSE 2000/tin Geo-tec GSE 2000/tin Jansens SchücoSol Viessman Vitosol 200-F Type 5D Winkler VarioSol A Winkler VarioSol A-antireflex A.O Smith Citrin SolarCs 111-SF Conergy Aldo 225 Daikin EKSV21P Daikin EKSV26P Eborx Eco Classic2.0 EnergieControll TSE 220 Figur 93 Bruttoydelse fordelt på månedsbasis for plane solfangere. 120

122 Bruttoydelse for plane solfangere Bruttoydelse [kwh/år] Winkler VarioSol A-antireflex Årsbasis SolTop CobraX SolTop CobralinoX Agena Azur 6 IDM GSE 2000/tin Geo-tec GSE 2000/tin Jansens SchücoSol Viessman Vitosol 200-F Type 5D Winkler VarioSol A Winkler VarioSol A-antireflex A.O Smith Citrin SolarCs 111-SF Conergy Aldo 225 Daikin EKSV21P Daikin EKSV26P Eborx Eco Classic2.0 EnergieControll TSE 220 Ernst Schweizer AV 23 light Estec FK 6250 Prestige Friap Terza GC Cosmosol 253 Figur 94 Samlet Bruttoydelse over et helt år for de plane solfangere. Som det fremgår af Figur 93 og Figur 94 er det Winkler Variosol A-antireflex, som producerer mest energi over hele året. Dette resultat er en smule overraskende, idet det er Soltop CobraX og Soltop CobralinoX, som har den højeste effektivitet i hver deres temperaturintervaller, som vist på Figur 95 nedenfor. Her ses det dog også, at Winkler Variosol A-antireflex har en effektivitet, som ligger meget tæt på disse to solfangeres. I de helt små temperaturintervaller er den således lige så god som Soltop CobraX, mens den er lige så effektiv som SoltopCobralinoX ved temperaturforskelle på ca

123 Effektivitet, η [-] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 Effektivitet ved G = 800 W/m Tm-Ta [ ] Middel SolTop CobralinoX SolTop CobraX Winkler VarioSol A-antireflex Figur 95 Effektivitet ved en solbestrålingsstyrke på 800 W/m 2 samt indfaldsvinkel på 0. Som det ses af Figur 95, ligger alle tre solfangere over middel for de plane solfangere, men der er altså ikke belæg for at konkludere, at Winkler Variosol A-antireflex er så meget bedre end Soltop CobraX og Soltop CobralinoX som tilfældet er, når der alene ses på effektiviteten ved en indfaldsvinkel på 0. Derimod er en af årsagerne til, at det er Winkler Variosol A-antireflex, som klarer sig bedst, at denne solfanger har en højere indfaldsvinkelkorrektionsfaktor ved høje indfaldsvinkler end Soltop CobraX og SoltopCobralinoX, som det fremgår af Figur 96 nedenfor. Selvom Winkler Variosol A-antireflex er bedre her, er forskellen dog så lille, at hele forklaringen ikke alene ligger her. Da der er et begrænset buttoareal på 250 m 2 til placering af solfangerne til rådighed, er det væsentligt hvor stor en del af solfangernes bruttoareal, der er transparent areal. For disse tre solfangere viser det sig, at det transparente areals andel af det maksimalt tilgængelige bruttoareal, er større for Winkler Variosol A-antireflex end for de to øvrige solfangere. Udregnes bruttoydelsen per transparent areal, viser det sig da også, at SoltopCobraX producerer mere solvarme end Winkler Variosol A-antireflex, som det fremgår af Tabel 38 nedenfor. 122

124 Solfanger Bruttoareal [m 2 ] Transparent areal [m 2 ] Bruttoydelse [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] Winkler Variosol 248,5 226, ,2 A-antireflex Soltop CobraX , Soltop CobralinoX , Tabel 38 Transparente arealer og bruttoydelser for Winkler Variosol A-antireflex, Soltop CobraX og Soltop CobralinoX Resultaterne i Tabel 38 ovenfor viser altså, at Winkler Variosol A-antireflex i dette tilfælde er den bedste solfanger, fordi det transparente areal udgør en større andel af solfangerens bruttoareal end Soltop CobraX, som ellers har en bedre effektivitet. Da der er et begrænset areal på taget af Øbrohallen til rådighed, viser dette sig altså at være en væsentlig faktor. Yderligere ses det, at Winkler Variosol A- antireflex faktisk ender med en højere ydelse per transparent areal end Soltop CobralinoX, hvilket skyldes de højere værdier af indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren ved høje indfaldsvinkler som er vist på Figur 96 nedenfor. 1,2 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K ϴ, for plane solfangere 1 0,8 Kθ [-] 0,6 0,4 0, θ [ ] Winkler VarioSol A-antireflex SolTop CobraX SolTop CobralinoX Middel Figur 96 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for Winkler Variosol A-antireflex, Soltop CobraX og Soltop CobralinoX Da der i denne rapport fokuseres på at udvælge solfangere, styringsstrategier og komponenter ud fra en primær energimæssig betragtning, fortsættes undersøgelserne for de plane solfangere med Winkler Variosol A-antireflex. 123

125 12. Sammenligning af vakuumrørsolfangere I det følgende beskrives og analyseres resultaterne, som er fundet i Polysun med vakuumrørsolfangere af de fire typer som blev beskrevet i afsnit 2. Resultaterne er dannet på baggrund af simuleringer i Polysun med styringsstrategi 2 og referencesystemet beskrevet i afsnit 7.10 Tabel 29 med lav volumenstrøm, hvilket er gældende for alle fire typer vakuumrørsolfangere. Som i tilfældet for de plane solfangere sammenlignes her solfangernes bruttoydelse Type 1 vakuumrørsolfangere Figur 97 nedenfor viser resultaterne for vakuumrørsolfangere af typen 1. Bruttoydelse for vakuumrørsolfangere, type Pleion CPO 15 Bruttoydelse [kwh/måned] Måned[-] AMK-Collectra OPC 10 AMK-Collectra OPC 15 AMK-Collectra OPC 15 H De Dietrich Power 10 De Dietrich Power 15 Figur 97 Bruttoydelse for vakuumrørsolfangere af typen 1, fordelt på månedsbasis. Som det ses af Figur 97 ovenfor er der en forholdsvis lille spredning i resultaterne for denne type solfangere. At der kun er tre forskellige forløb af kurverne skyldes, at der kun er tre forskellige udformninger af denne type solfanger. Således producerer flere firmaer den samme solfanger, som blot varetager forskellige navne afhængig af firmaet. Den bedste solfanger markedsføres i dette tilfælde af tre forskellige firmaer, og har følgende tre navne: De Dietrich Power 15, Pleion CPO 15 og AMK-Collectra 15. At det er denne solfanger, som opnår den højeste ydelse, skyldes blandt andet, at det er denne solfanger, som samlet set har den højeste effektivitet, som det ses af Figur 98 nedenfor. Af Figur 99 nedenfor ses det, at De Dietrich Power 10 og AMK Colectra OPC 10 har den højeste tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor fra 0-70, men dette forhold er altså ikke nok til at opveje den lavere starteffektivitet. Som vist i afsnit 2, er der ikke den store variation i den langsgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor. 124

126 0,9 0,8 Effektivitet for type 1 vakuumrørsolfangere G=800 W/m 2 η[-] 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Pleion CPO 15 AMK-Collectra OPC 10 AMK-Collectra OPC 15 AMK-Collectra OPC 15 H De Dietrich Power 10 De Dietrich Power Tm-Ta [ ] Figur 98 Effektivitet for type 1 vakuumrørsolfangere ved indfaldsvinkler på 0 og solbestrålingsstyrke på 800 W/m 2. Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt [-] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for type 1 vakuumrørsolfangere Tværgående indfaldsvinkel[ ] AMK-Collectra OPC 10 AMK-Collectra OPC 15 AMK-Collectra OPC 15 H De Dietrich Power 10 De Dietrich Power 15 Pleion CPO 15 Figur 99 Gentagelse af figur 17, sammenhæng mellem tværgående indfaldsvinkel og indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t, for Type 1 vakuumrørsolfangere. 125

127 Som det ses af Figur 98, har AMK Collectra OPC 15H den højeste starteffektivitet ved helt lave temperaturforskelle og en indfaldsvinkel på 0, men på grund af den høje varmetabskoefficient viser denne solfanger sig altså at være den dårligste af de tre. I dette tilfælde er der ikke den store forskel på de tre forskellige solfangeres transparente arealer. Det er dog værd at bemærke, at den solfanger, som her klarer sig bedst, alligevel er den med det højeste transparente areal af de tre. Størrelsen af det transparente areal har, som tidligere beskrevet, en stor del at skulle have sagt, og selvom forskellen her er lille, er den stadig med til at øge forskellen mellem den bedste solfanger og de øvrige. Nedenfor i Tabel 39 ses de tre forskellige solfangeres transparente arealer samt solfangernes bruttoydelse per transparent areal. Solfanger Bruttoareal [m 2 ] Transparent areal [m 2 ] Bruttoydelse [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] OPC, Power , ,8 CPO, OPC, Power 248,6 200, ,9 15 OPC 15H 248,6 198, ,4 Tabel 39 Transparente arealer og bruttoydelser for type 1 vakuumrørsolfangere Type 2 vakuumrørsolfangere Der findes kun en enkelt solfanger af denne type, som vist på Figur 100 nedenfor. Produceret solvarme [kwh/måned] Bruttoydelse for vakuumrørsolfangere, type Måned[-] Pleion CRD 10 Figur 100 Bruttoydelse for type 2 vakuumrørsolfanger, fordelt på månedsbasis. 126

128 Denne type solfanger har sine styrker ved høje tværgående indfaldsvinkler, som det fremgår af Figur 101 nedenfor. Dette forhold formodes som udgangspunkt at egne sig godt til dette projekt, i sammenligning med de øvrige solfangere, idet solfangerne orienteres i en sydvestlig retning, hvormed de største solbestrålingsstyrker vil optræde ved tværgående indfaldsvinkler, som er større end 0. Således formodes denne solfanger forholdsmæssigt at tabe mindre ved en orientering som ikke er sydvendt i sammenligning med solfangere med en lavere tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor. Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor [-] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, Kt, for type 2 vakuumrørsolfangere Tværgående indfaldsvinkel, θ [ ] Pleion CRD 10 Figur 101 Gentagelse af figur 19, sammenhæng mellem tværgående indfaldsvinkel og korrektionsfaktor, K t, for type 2 vakuumrørsolfanger. Starteffektiviteten for denne type solfanger er dog lavere end for de øvrige tre typer, som det ses af Figur 102 nedenfor. Solfangeren har dog en meget lav varmetabskoefficient, som gør at den er mere effektiv end Type 4 solfangerne når temperaturforskellen på solfangervæsken og omgivelsestemperaturen overstiger 40. Desuden er det transparente areal for denne type solfanger på 212,78 m 2, hvilket er en del større end type 1 solfangernes transparente arealer. Med de forholdsvis lave temperaturer, som optræder i systemet, forventes det dog alligevel, at denne solfanger vil klare sig dårligst af de 4 typer. Det skyldes at forskellen i effektiviteten ved de hyppigst forekommende temperaturer er meget stor. Senere i afsnittet vil resultaterne for de fire typer blive sammenlignet med hinanden. 127

129 0,9 0,8 0,7 Gennemsnitlig effektivitet - typeopdelt G=800 W/m 2 η[-] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Type 1 Type 2 Type 3 Type Tm-Ta [ C] Figur 102 Gentagelse af figur 25, gennemsnitlig effektivitet fordelt på fire typer vakuumrørsolfangere ved en indfaldsvinkel på 0 og en solbestrålingsstyrke på 800 W/m 2. Solfanger Bruttoareal [m 2 ] Transparent areal [m 2 ] Bruttoydelse [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] Pleion CRD ,8 212, Tabel 40 Transparente arealer og bruttoydelser for type 2 vakuumrørsolfangere. Som det ses af Tabel 40 ligger bruttoydelsen for denne solfanger noget under bruttoydelsen for den bedste type 1 vakuumrørsolfanger, hvilket i høj grad skyldes den lave starteffektivitet. 128

130 12.3 Type 3 vakuumrørsolfangere Der findes en hel del solfangere af denne type, og resultaterne for solfangernes bruttoydelse fremgår af Figur 103 nedenfor. Bruttoydelse [kwh/måned] Bruttoydelse for vakuumrørsolfangere, type 3 RZ Solartechnik DF- 120 Olymp Sunstar HP20 Navitron SFC 10 Olymp Sunstar HP30 RZ Solartechnik DF-100 Augusta-solar AS 100 HP Thermostrom Strebel AS 100 DF6 Thermostrom Strebel HP16 Wikora DF Wikora HP Wikora HP Måned[-] Figur 103 Bruttoydelse for vakuumrørsolfangere af typen 3, fordelt på månedsbasis. Som det ses af Figur 103, er der en forholdsvis stor spredning i resultaterne for denne type solfangere. Det er ganske forventeligt, idet effektivitetskurverne for denne type solfangere netop varierer meget fra solfanger til solfanger. Denne type solfanger har sine forcer i en høj starteffektivitet som det fremgår af Figur 102 ovenfor. Derudover har denne type solfanger sine højeste værdier af den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor ved tværgående indfaldsvinkler på Dog er størrelsen af den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor stadig noget mindre end for type 2 og 4, som dog også har noget lavere starteffektiviteter, jævnfør Figur 102 og Figur

131 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktorer for type 1 - type 4 vakuumrørsolfangere Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t [-] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Type 1 gennemsnit Type 2 gennemsnit Type 3 gennemsnit Type 4 gennemsnit Tværgående indfaldsvinkel [ ] Figur 104 Gentagelse af figur 24, gennemsnitsværdier for sammenhængen mellem den tværgående indfaldsvinkel og vinkelkorrektionsfaktoren, K t, for de fire typer vakuumrørsolfangere. Den solfanger, som klarer sig bedst af denne type er RZ Solartechnik DF-120. Det skyldes, at det er denne solfanger, som har den højeste effektivitet af ikke bare type 3 solfangerne, men af alle vakuumrørsolfangerne generelt, som det ses af Figur 105 nedenfor. Derudover er Solartechnik DF-120 også en af de solfangere af denne type, som har det største transparente areal. Således varierer de transparente arealer mellem 171 m 2 og 184 m 2, hvor RZ Solartechnik DF har et transparent areal på 181,7 m 2. Bruttoarealer og transparente arealer for alle solfangere af denne type kan findes på bilag 22. Maks., min. og middel effektivitet for vakuumrørsolfangere 0,9 0,8 0,7 η [-] 0,6 0,5 0,4 RZ Solartechnik DF-120 Solar Power Solar Trap 20 0,3 Pleion CRD 10 0,2 0,1 0 Solar Power Solar Trap 10 Middel Tm-Ta [ ] Figur 105 Gentagelse af figur 9, maksimum, minimum og middeleffektivitet for alle typer vakuumrørsolfangere ved en solbestrålingsstyrke på G = 800 W/m 2 og indfaldsvinkel

132 Solfanger RZ Solartechnik DF Bruttoareal [m 2 ] Transparent areal [m 2 ] Bruttoydelse [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] 248,6 181, Tabel 41 Transparente arealer og bruttoydelser for type 3 vakuumrørsolfangere. Som det fremgår af Tabel 41, er bruttoydelsen for denne type vakuumrørsolfanger høj i sammenligning med de øvrige typer vakuumrørsolfangere. Det skyldes i høj grad den høje starteffektivitet som denne solfanger har Type 4 vakuumrørsolfangere Også for denne type vakuumrørsolfangere er der en meget stor forskel på resultaterne, som det fremgår af Figur 106 nedenfor. Bruttoydelse [kwh/måned] Bruttoydelse for vakuumrørsolfangere, type Måned[-] MM Solar Heliosin BMK Solar NSC 30 Jinyi JHC-.-15 Jinyi JHC-.-24 Solar Power Solar Trap 10 Solar Power Solar Trap 20 Solman SM-30 Solar UK Lazer2 Figur 106 Bruttoydelse for vakuumrørsolfangere af typen 4, fordelt på månedsbasis. Som det ses af Figur 106, er der en meget stor forskel på den solfanger, som klarer sig bedst og de øvrige solfangere. Af Figur 107 nedenfor ses det, at der er en stor forskel på indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren for denne type solfangere. Den solfanger, som klarer sig klart bedst her, er UK Lazer2, som faktisk er den solfanger af denne type med en af de dårligste tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktorer, men derimod også en af dem med den højeste starteffektivitet. Herudover er det UK Lazer2, som har det største transparente areal af denne type solfangere, med et samlet transparent areal på 171,5 m 2, jævnfør bilag

133 Tendensen for alle 4 typer af vakuumrørsolfangere er altså, at det er de solfangere med den højeste starteffektivitet og det største transparente areal, som, på trods af en ofte dårlig tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, klarer sig bedst. indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t, for type 4 vakuumrørsolfangere Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor, K t [-] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Solar UK Lazer Tværgående indfaldsvinkel [ ] MM Solar Heliosin AKH BMK Solar NSC Hitek Solar NSC Isko NSC Jinyi JHC-.-15 Jinyi JHC-.-24 Sidite-SC-H-15 Sidite-SC-H-24 Solar Power Solar Trap 10 Solar Power Solar Trap 20 Figur 107 Gentagelse af figur 21, sammenhæng mellem tværgående indfaldsvinkel og korrektionsfaktor, K t, for type 3 vakuumrørsolfangere. Som det ses af Tabel 42 nedenfor har den bedste solfanger af denne type en meget høj bruttoydelse per transparent areal. At den samlede bruttoydelse over hele året ikke er den højeste skyldes det forholdsvis lille transparente areal, denne type solfanger har i forhold til bruttoarealet, sammenlignet med de øvrige typer af vakuumrørsolfangere. Solfanger Bruttoareal [m 2 ] Transparent areal [m 2 ] Bruttoydelse [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] Solar UK Lazer 2 247,7 171, Tabel 42 Transparente arealer og bruttoydelser for type 4 vakuumrørsolfangere Sammenligning af typer I dette afsnit vil de fire typer af vakuumrørsolfangere blive sammenlignet med hinanden og den bedste vakuumrørsolfanger vil udvælges til de videre undersøgelser i rapporten. I Figur 108 og Figur 109 nedenfor er resultaterne for de bedste vakuumrørsolfangere for hver type sammenfattet. 132

134 Bruttoydelse af vakuumrørsolfangere, bedste fra hver type Bruttoydelse [kwh/måned] De Dietrich Power 15, type 1 Pleion CRD 10, type 2 RZ Solartechnik DF-120, type Måned[-] Solar UK Lazer2, type 4 Figur 108 Bruttoydelse for den bedste vakuumrørsolfanger af hver type, fordelt på månedsbasis Årlig bruttoydelse, bedst fra hver type Bruttoydelse [kwh/år] Type 1 Type 2 Type 3 Type Figur Bruttoydelse for den bedste vakuumrørsolfanger af hver type, vist for et helt år. 133

135 Som det ses, er der forholdsvis stor lighed mellem resultaterne for type 1, 3 og 4, mens type 2 viser sig at være noget dårligere end de øvrige. Type 2, som har sin force i en meget høj tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor ved høje indfaldsvinkler er altså ikke velegnet til denne type opvarmning. Af Figur 109 ses det, at selvom resultaterne for de tre øvrige typer solfangere ligger tæt på hinanden, er det type 3, som er den bedste. Type 3 solfangerne har, som beskrevet, sine styrker i en høj starteffektivitet og netop RZ Solartechnik DF er den solfanger af alle vakuumrørsolfangerne med den højeste starteffektivitet. Den bedste type 1 solfanger, De Dietrich Power 15, og den bedste type 4 solfanger, Solar UK Lazer 2, klarer sig næsten identisk på trods af, at deres egenskaber er forskellige. Således har type 1 solfangeren, De Dietrich Power 15, den højeste starteffektivitet samt den laveste varmetabskoefficent af de to, som det fremgår af Figur 110 nedenfor. Dog har den lavere værdier af den tværgående indfaldsvinkel korrektionsfaktor, hvilket altså gør, at årsydelsen for de to alligevel ender med at blive næsten identisk. η [-] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Effektivitet for hver af de bedste vakuumrørsolfangere ved G=800W/m Tm-Ta [ ] De Dietrich Power 15 Pleion CRD 10 RZ Solartechnik DF-120 Solar UK Lazer2 Figur 110 Effektivitet for bedste vakuumrørsolfangere fra hver type, ved indfaldsvinkel på 0 og solbestrålingsstyrke på 800W/m 2. Det viser dermed, at det ikke udelukkende er vigtigt at have en god starteffektivitet, idet det altså er muligt at kompensere for en lavere starteffektivitet ved høje værdier af den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor. De transparente arealer samt ydelserne for de fire bedste vakuumrørsolfangere af hver type er sammenfattet i Tabel 43 nedenfor. 134

136 Solfangertype Type 1 Type 2 Type 3 Type 4 Bruttoareal [m 2 ] 248,6 248,8 248,6 247,7 Transparent areal [m 2 ] 200,8 212,8 181,7 171,5 Bruttoydelse [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] Tabel 43 Transparente arealer for de bedste vakuumrørsolfangere fra hver type. Som tidligere beskrevet spiller det en rolle, hvor stort det samlede transparente areal er. Af Tabel 43 ovenfor fremgår det, at denne faktor ikke er altafgørende, men at den spiller en væsentlig rolle. Således har RZ Solartechnik DF-120 hverken det største eller mindste transparente areal, men det er alligevel den solfanger, som har den største bruttoydelse. Det skyldes blandt andet, at det er en solfanger med en meget høj starteffektivitet, som producerer en meget stor mængde solvarme per transparent areal. Det er ydermere interessant at bemærke, at den solfanger, som har den største bruttoydelse per transparent areal, er type 4 solfangeren UK Lazer 2. Denne solfanger har den næstlaveste starteffektivitet af de 4 solfangere samt den højeste varmetabskoefficient, hvorfor dette kan være noget overraskende. De høje værdier af den tværgående vinkelkorrektionsfaktor kompenserer imidlertid for dette, og eneste årsag til, at det ikke er denne solfanger, som samlet set opnår den højeste bruttoydelse er det lille transparent areal. Årsagen til, at det er Solartechnik DF-120, som er den bedste vakuumrørsolfanger, er altså, at den besidder den mest optimale kombination mellem effektivitet, transparent areal og vinkelkorrektionsfaktor set i forhold til den type opvarmning, der er tale om til dette specifikke projekt. De videre undersøgelser i rapporten vil for vakuumrørsolfangernes tilfælde fortsætte med RZ Solartechnik DF

137 13. Bruttoydelse for plane solfangere uden dæklag I afsnit 2 indgik også plane solfangere uden dæklag i analysen. Her var antagelsen, at ydelsen for denne type solfangere ikke vil være høj nok set over et helt år, idet varmetabet fra denne type solfanger, særligt om vinteren, er alt for stort. I det følgende vil denne antagelse kort blive bekræftet. Figur 111 nedenfor viser bruttoydelsen for et helt år med denne type solfanger og ved alle tre styringsstrategier. Brutto ydelse for plane solfangere uden dæklag solfangere Bruttoydelse [kwh/år] Styring 1 HF Styring 1 LF Styring 2 HF Styring 2 LF Styring 3 HF Styring 3 LF 0 1 Figur 111 Bruttoydelse for et helt år ved plan solfanger uden dæklag. Som det ses af Figur 111 er bruttoydelsen også for denne type solfanger størst med styringsstrategi 2 og en høj volumenstrøm. Bruttoydelsen er dog stadig langt mindre end for de plane solfangere med dæklag samt vakuumrørsolfangerne. Der er ikke foretaget yderligere analyser af styringsstrategierne med denne type solfanger og da det primære fokus i rapporten er lagt ud fra en energimæssig betragtning, er det besluttet ikke at inddrage de udækkede solfangere yderligere i undersøgelserne. 136

138 14. Sammenligning af vakuumrørsolfanger og plan solfanger I det følgende sammenlignes den bedste plane solfanger med den bedste vakuumrørsolfanger. I begge tilfælde er benyttet referencesystemet beskrevet i afsnit 7.10 Tabel 29. For den plane solfanger er der benyttet en høj volumenstrøm, mens der for vakuumrørsolfangeren er benyttet en lav volumenstrøm, da det tidligere er vist, at nettoydelsen for de respektive solfangere herved er størst. Resultaterne fremgår af Figur 112 nedenfor. Produceret solvarme [kwh/måned] Brutto- og nettoydelse for vakuumrørsolfanger og plan solfanger Måned [-] Plan solfanger, Winkler Variosol A-antireflex, produceret Vakuumrørsolfanger, RZ Solartechnik DF-120, produceret Plan solfanger, Winkler Variosol A-antireflex, udnyttet Vakuumrørsolfanger, RZ Solartechnik DF-120, udnyttet Figur 112 Brutto- og nettoydelse for den bedste vakuumrørsolfanger og den bedste plane solfanger, fordelt på månedsbasis. Som det ses af Figur 112, er det den plane solfanger, som har såvel den højeste bruttoydelse som nettoydelse. Det er en smule overraskende set i lyset af analysen fra afsnit 2, hvor konklusionen var, at den bedste vakuumrørsolfanger var en del mere effektiv end den bedste plane solfanger. Af Figur 113 og Figur 114 nedenfor ses det også, at det kun er ved de helt små temperaturforskelle at den plane solfanger er mere effektiv end vakuumrørsolfangeren. Ved temperaturforskelle fra 5 og opefter har vakuumrørsolfangeren en højere effektivitet, hvilket gør sig gældende ved både lave og høje solbestrålingsstyrker. Dette er dog ved indfaldsvinkler på

139 η [-] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Bedste plane solfanger mod bedste vakuumrørsolfanger, G = 800 W/m Tm-Ta [ ] Winkler VarioSol A-antireflex RZ Solartechnik DF-120 Figur 113 Effektivitet baseret på transparent areal for den bedste vakuumrørsolfanger og den bedste plane solfanger ved en solbestrålingsstyrke på 800 W/m 2 og indfaldsvinkler på 0. η [-] 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Bedste plane solfanger mod bedste vakuumrørsolfanger, G = 400 W/m Tm-Ta [ ] Winkler VarioSol A-antireflex RZ Solartechnik DF-120 Figur 114 Effektivitet baseret på transparent areal for den bedste vakuumrørsolfanger og den bedste plane solfanger ved en solbestrålingsstyrke på 400 W/m 2 og indfaldsvinkler på

140 Som tidligere nævnt ligger den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor på et niveau, der er større end 1 for vakuumrørsolfangeren ved tværgående indfaldsvinkler op til ca. 55, men samtidig skal der også korrigeres for den langsgående indfaldsvinkel. På Figur 115 nedenfor ses både den langsgående og den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for vakuumrørsolfangeren, samt indfaldsvinkelkorrektionsfaktoren for den plane solfanger. 1,2 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor [-] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Winkler VarioSol A-antireflex RZ Solartechnik DF-120, langsgående RZ Solartechnik DF-120, tværgående Indfaldsvinkel, θ [ ] Figur 115 Indfaldsvinkelkorrektionsfaktorer for Winkler Variosol A-antireflex og RZ Solartechnik DF-120. Som det fremgår af Figur 115, er der ikke stor forskel på den langsgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for de to solfangere, mens den tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor som nævnt ligger højere end 1 op til ca 55. Det skal dog bemærkes, at den samlede indfaldsvinkelkorrektionsfaktor for vakuumrørsolfangeren er produktet af henholdsvis den langsgående og tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor. Det betyder, at effektiviteten af vakuumrørsolfangeren, når både den tværgående og langsgående indfaldsvinkel er større end 65 vil være betydeligt mere forringet end den plane solfangers. Ved indfaldsvinkler op til 65 vil vakuumrørsolfangerens effektivitet dog skulle korrigeres med et tal større end hvad den plane solfanger skal korrigeres med. Da solbestrålingsstyrken som regel er størst i dette interval, vil vinkelkorrektionsfaktoren samlet set give en fordel til vakuumrørsolfangeren, og det er derfor heller ikke på baggrund af dette muligt at angive årsagen til, at ydelsen for den plane solfanger er så meget højere end for vakuumrørsolfangeren, som tilfældet er. Årsagen skal i stedet for findes i solfangernes transparente arealer. Som tidligere beskrevet i rapporten er der et begrænset bruttoareal på 250 m 2 til rådighed til placering af solfangerne på taget. Af de ca. 250 m 2 består vakuumrørsolfangernes samlede transparente areal af 181,7 m 2, mens de plane solfangeres samlede transparente areal her er 226,5 m

141 Plottes effektiviteten over de to solfangeres bruttoareal frem for det transparente areal ses det også, at den plane solfanger er mere effektiv i det lave temperaturinterval for både små og store strålingsintensiteter, som det er vist på Figur 116 og Figur 117. Bedste plane solfanger mod bedste vakuumrørsolfanger, G = 800 W/m2 η [-] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tm-Ta [ ] Winkler VarioSol A-antireflex RZ Solartechnik DF-120 Figur 116 Effektivitet baseret på bruttoareal for den bedste vakuumrørsolfanger og den bedste plane solfanger ved en solbestrålingsstyrke på 800 W/m 2 og indfaldsvinkler på 0. Bedste plane solfanger mod bedste vakuumrørsolfanger, G = 400 W/m2 η [-] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Tm-Ta [ ] Winkler VarioSol A-antireflex RZ Solartechnik DF-120 Figur 117 Effektivitet baseret på bruttoareal for den bedste vakuumrørsolfanger og den bedste plane solfanger ved en solbestrålingsstyrke på 400 W/m 2 og indfaldsvinkler på 0. Måles de to solfangere i stedet på bruttoydelsen per transparent areal fås følgende resultater som angivet i Tabel 44 nedenfor. 140

142 RZ Solartechnik DF 120 (Vakuumrørsolfanger) Winkler Variosol A- antireflex (plan solfanger) Bruttoydelse [kwh/år] Transparent areal [m 2 ] Bruttoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] , ,5 731 Tabel 44 Bruttoydelse per transparent areal for bedste vakuumrørsolfanger og bedste plane solfanger. Heraf ses det altså, at ydelsen for vakuumrørsolfangeren, som forventet, er en del højere per transparent areal end for den plane solfanger. Som tidligere nævnt er det dog i dette projekt en vigtig faktor, hvor stor en del af solfangernes bruttoareal, der udnyttes til transparent areal, idet der er et begrænset areal til rådighed på taget af Øbrohallen. Der vil i det følgende foretages optimeringer af begge systemer med henholdsvis RZ Solartechnik DF-120 og Winkler Variosol A-antireflex, hvorefter der vil foretages en økonomisk analyse på de to solfangere. 141

143 15. Parameteranalyse plan solfanger I det følgende foretages en parameteranalyse af solvarmesystemet med den bedste plane solfanger, Winkler Variosol A-antireflex, styret efter styringsstrategi 2. Formålet hermed er at optimere systemet, således at det sikres, at solvarmeenergien udnyttes optimalt. Referencesystemet for parameteranalysen er angivet i Tabel 45 nedenfor. Emne Størrelse Solfanger Plan solfanger: Winkler Variosol A-antireflex Brutto-solfangerareal 248,5 m 2 Hældning på solfangere 45 Orientering -36,9 Flow i solfangerkreds l/h Indre rørdiameter 82,5 mm Hastighed i rør 0,83 m/s Rørlængde ude, fremløb 56 m Rørlængde inde, fremløb 60,5 m Rørlængde ude, returløbløb 51 m Rørlængde inde, returløb 49,5 m Isoleringstykkelse, rør inde 20 mm Isoleringstykkelse, rør ude 30 mm Temperaturforskel for aktivering af pumpe 3 K Temperaturforskel for deaktivering af pumpe 1 K Varmeoverføringsevne for varmevekslere for: Svømmebassin W/K Undervisningsbassin W/K Babybassin W/K Relaxbassin W/K Spabassin W/K Tank W/K Flow på sekundærside af varmeveksler for: Svømmebassin l/h Undervisningsbassin 3000 l/h Babybassin 2000 l/h Relaxbassin 3000 l/h Spabassin 2000 l/h Tank 4000 l/h Størrelse af tank l Tabel 45 Oversigt over referencesystem for parameteranalyse med plane solfangere. Parameteranalysen vil således blive foretaget med de i Tabel 45 angivne størrelser som referencer. Efterhånden som en parameter optimeres, anvendes den optimale værdi som reference i de efterfølgende analyser, da ændring af én parameter kan have indflydelse på den optimale værdi af en anden parameter. 142

144 15.1 Optimering af flow i solfangerkreds I det følgende optimeres flowet i solfangerkredsen. Som det også gør sig gældende for vakuumrørsolfangeren, må også rørstørrelserne ændres, når flowet ændres, idet det hele tiden ønskes at holde en hastighed i rørene på mellem 0,5-1 m/s. Rørstørrelserne er således beregnet sådan, at hastigheden i rørene ligger omkring 0,9 m/s. Dermed fås følgende resultat for solvarmeanlæggets nettoydelse som funktion af flowet. Nettoydelse [kwh/år] Nettoydelse som funktion af flow Flow [l/h] Figur 118 Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af flow i solfangerkreds. Som angivet på Figur 118 giver et flow på 8000 l/h, svarende til 0,54 l/min/m 2 solfangerareal, den bedste nettoydelse. Således vælges det at optimere systemet ved at vælge et flow på 8000 l/h, hvormed den indre rørdiameter bliver 58 mm. 143

145 15.2 Optimering af hældning på solfangere I det følgende optimeres hældningen på solfangerne Nettoydelse som funktion af hældning Nettoydelse [kwh/år] Hældning [ ] Figur 119 Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af hældning på solfanger. Som det fremgår af Figur 119, er den optimale hældning på solfangerne her 40, i modsætning til vakuumrørsolfangerne, der havde en optimal hældning på

146 15.3 Optimering af isolering af udendørs rør I det følgende optimeres isoleringen på den udendørs rørføring i solfangerkredsen Fremløbsrør Først optimeres for fremløbsdelen, det vil sige for den del af rørstrækningen, der løber fra solfangerne mod bassinerne og tanken Nettoydelse som funktion af isoleringstykkelse, fremløbsrør Nettoydelse [kwh/år] Isolering [mm] Figur 120 Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af isoleringstykkelse på udendørs fremløbsrør. Som Figur 120 viser, stiger nettoydelsen i takt med, at isoleringen øges. Tilfældet er dog her det samme som for vakuumrørsolfangerne, nemlig at gevinsten i energi skal stå mål med den øgede investeringsomkostning, hvorfor det ikke ville give mening at vælge en isoleringstykkelse på 100 mm eller mere. Det vælges således her også at køre med en isoleringstykkelse på 20 mm Returløbsrør I det følgende optimeres for returløbsdelen, det vil sige for den del af rørstrækningen, der løber retur til solfangerne fra bassinerne og tanken. 145

147 Nettoudnyttet solvarme [kwh] Nettoydelse som funktion af isoleringstykkelse, returløbsrør Isolering [mm] Figur 121 Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af isoleringstykkelse på udendørs returløbsrør. Som Figur 121 viser, stiger solvarmeanlæggets nettoydelse også her i takt med stigende isoleringstykkelse. Som for fremløbsrøret, må gevinsten dog stå mål med omkostningen ved at øge tykkelsen på isoleringen, og derfor vælges det også her at nøjes med en isoleringstykkelse på 20 mm. Som det var tilfældet for vakuumrørsolfangeren, vælges det ikke at analysere yderligere på de indvendige rør, hvorfor alle rør isoleres med 20 mm isolering Optimering af temperatur differens i forbindelse med aktivering og deaktivering af pumpe I det følgende undersøges det, hvor stor temperaturdifferensen mellem solfangervæsken ved solfangernes udløb og det nederste lag i tanken bør være, før pumpen skal sætte i gang. Det gælder, at ΔT for aktivering bør være højere end ΔT for deaktivering, hvorfor det vælges at sætte ΔT for deaktivering lig med 0, når det undersøges, hvad den optimale værdi af ΔT for aktivering af pumpen er. Desuden sættes ΔT for aktivering af pumpen lig med 3 K, når det undersøges, hvad den optimale værdi af ΔT for deaktivering af pumpen er. Det undersøges således, hvad den optimale temperaturforskel for aktivering af pumpen er. 146

148 Nettoydelse[kWh/år] Nettoydelse som funktion af ΔT for aktivering ΔT deaktivering: 0 K 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Temperatur differens[mm] Figur Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af størrelsen på temperaturdifferensen, mellem solfangervæske og nederste lag i tank, som styrer aktivering af pumpen. Nettoydelse [kwh/år] Nettoydelse som funktion af ΔT for deaktivering ΔT aktivering: 3 K 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Temperatur differens[mm] Figur 123 Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af størrelsen på temperaturdifferensen, mellem solfangervæske og nederste lag i tank, som styrer deaktivering af pumpen. Som det fremgår af Figur 122 og Figur 123, er nettoydelsen størst, når pumpen aktiveres og deaktiveres ved en temperaturdifferens på 0 K. Som det også var tilfældet for vakuumrørsolfangerne bør temperaturforskellen for aktivering værre større end temperaturforskellen for deaktivering. Dermed 147

149 vælges det at aktivere pumpen ved en temperaturforskel på 2 K og deaktivere den ved en temperaturforskel på 0 K Optimering af flow på sekundærside af varmevekslere I det følgende undersøges det, om flowet på sekundærsiden af varmevekslerne kan medvirke til at optimere solvarmeanlæggets nettoydelse. Det er i høj grad flowet til det sidste bassin, som er afgørende for, hvor stor nettoydelsen er. Derfor foretages først en samlet analyse, hvor alle 5 flows til bassinernes varmevekslere skifter størrelse samtidigt, hvorefter det undersøges, om flowet til varmevekslerne til de 4 varmeste bassiner kan reduceres, uden det kommer til at påvirke det samlede resultat. Flowet til tanken vil blive analyseret separat, da et for stort flow her vil forringe det samlede resultat i modsætning til bassinerne, hvor stigende flows vil resultere i enten en stigning eller en uændret situation i den udnyttede solenergi. Nettoydelse [kwh/år] Nettoydelse som funktion af flow til bassinernes varmevekslere Flow [l/h] Figur 124 Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af flowet til bassinernes varmevekslere på sekundærsiden. Som det fremgår af Figur 124, kan et flow på l/h antages at være optimalt, da nettoydelsen er stort set uændret ved flows større end dette. Det vælges altså at fastholde et flow til svømmebassinets varmeveksler på l/h, mens det undersøges, om flowet til de øvrige bassiners varmevekslere kan reduceres, uden det kommer til at betyde en forringelse af solvarmeanlæggets nettoydelse. Her fastholdes et flow til svømmebassinets varmeveksler på l/h. 148

150 Nettoudnyttet solvarme [kwh] Nettoydelse som funktion af flow til de 4 varmeste bassiners varmevekslere Flow [l/h] Figur Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af flow på sekundærsiden til varmevekslerne til de 4 varmeste bassiner, spa-, relax-, baby-, og undervisningsbassinet. Som det fremgår af Figur 125, har flowet til varmevekslerne til de 4 varmeste bassiner ikke den store betydning for den samlede udnyttelse af solvarmen. Således vælges det at køre med et flow på 6000 l/h til de 4 varmeste bassiner, hvilket må anses for at give en optimal udnyttelse af solvarmen. Det undersøges slutteligt, hvad det optimale flow til tankens varmeveksler er. Nettoydelse [kwh/år] Nettoydelse som funktion af flow til tankens varmeveksler Flow [l/h] Figur 126 Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af flowet til tankens varmeveksler på sekundærsiden. 149

151 Som det fremgår af Figur 126, er det optimale flow til tankens varmeveksler 3000 l/h. Som det var tilfældet for vakuumrørsolfangerne skyldes dette, at tankens design giver anledning til en temperaturlagdeling i tanken, hvorfor der vil være en øvre grænse for, hvor stort flowet kan være til tanken, uden nettoydelsen forringes Optimering af varmevekslere I det følgende undersøges det, om de valgte størrelser på varmevekslerne kan reduceres med samme nettoydelse til følge. Nettoudnyttet solvarme [kwh] Nettoydelse som funktion af varmeoverføringsevne Varmeoverføringsevne [W/K] Figur 127 Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af varmevekslernes kapacitet. Som det ses af Figur 127, stiger solvarmeanlæggets nettoydelse i takt med størrelsen på varmevekslerne. Igen må der dog skeles til, hvorvidt varmevekslerne til henholdsvis de 4 varmeste bassiner og tanken kan reduceres, uden nettoydelsen forringes. Nedenstående Figur 128 viser, hvordan solvarmeanlæggets nettoydelse influeres af skiftende størrelser på varmevekslerne til de 4 varmeste bassiner, når størrelserne på varmevekslerne til tanken og svømmebassinet fastholdes på W/K. 150

152 Nettoydelse som funktion af varmeoverføringsevne for de 4 varmeste bassiner Nettoydelse [kwh/år] Varmeoverføringsevne [W/K] Figur Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af varmevekslernes kapacitet til de 4 varmeste bassiner. Figur 128 viser, at størrelsen på varmevekslerne til de 4 varmeste bassiner, ingen indflydelse har på det samlede resultat, hvorfor det vælges at køre med de små varmevekslere med en varmeoverføringsevne på 5000 W/K til disse 4 bassiner. Det undersøges ydermere, om varmeveksleren til tanken kan reduceres i størrelse. Nettoydelse som funktion af varmeoverføringsevne til tank Nettoydelse [kwh/år] Varmeoverføringsevne [W/K] Figur Solvarmeanlæggets nettoydelse med plane solfangere som funktion af varmevekslerens kapacitet til tank. 151

153 Som det fremgår af Figur 129, er det samlede resultat også afhængigt af størrelsen på varmeveksleren til tanken. Dog bør den ikke vælges større end W/K, da der stort set ikke vindes ekstra energi ved at øge varmeoverføringsevnen yderligere. Varmeveksleren til svømmebassinet vælges med en varmeoverføringsevne på W/K, da prisen på varmevekslerne er høj, som det senere vil vise sig, og omkostningerne ved en yderligere forøgelse af varmeoverføringsevnen står ikke mål med gevinsten i energi.. Således kan optimeringen sammenfattes til følgende: Parameter Optimal værdi Flow i solfangerkreds 8000 l/h Hældning på solfangere 40 Isoleringstykkelse af udendørsrør 20 mm ΔT for aktivering af pumpe i solfangerkreds 2 K ΔT for deaktivering af pumpe i solfangerkreds 0 K Flow til varmevekslere til spa-, relax-, baby-, og 6000 l/h undervisningsbassin Flow til varmeveksler til svømmebassin l/h Flow til varmeveksler til tank 3000 l/h Varmeoverføringsevne til spa-, relax-, baby-, og 5000 W/K undervisningsbassin Varmeoverføringsevne til svømmebassin W/K Varmeoverføringsevne til tank W/K Tabel 46 Oversigt over optimale værdier i solfangersystemet med den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex. 152

154 16. Parameteranalyse vakuumrørsolfanger I det følgende foretages en parameteranalyse af solvarmesystemet med den bedste vakuumrørsolfanger styret efter styringsstrategi 2. Formålet hermed er at optimere systemet, således at det sikres, at solvarmeenergien udnyttes optimalt. Referencesystemet for parameteranalysen er angivet i Tabel 47 nedenfor. Emne Størrelse Solfanger Vakuumrørsolfanger: RZ solarteknik Brutto-solfangerareal 248,6 m 2 Hældning på solfangere 45 Orientering -36,9 Flow i solfangerkreds 4000 l/h Indre rørdiameter 39,5 mm Hastighed i rør 0,90 m/s Rørlængde ude, fremløb 56 m Rørlængde inde, fremløb 60,5 m Rørlængde ude, returløbløb 51 m Rørlængde inde, returløb 49,5 m Isoleringstykkelse, rør inde 20 mm Isoleringstykkelse, rør ude 30 mm Temperaturforskel for aktivering af pumpe 3 K Temperaturforskel for deaktivering af pumpe 1 K Varmeoverføringsevne for varmevekslere for: Svømmebassin W/K Undervisningsbassin W/K Babybassin W/K Relaxbassin W/K Spabassin W/K Tank W/K Flow på sekundærside af varmeveksler for: Svømmebassin l/h Undervisningsbassin 3000 l/h Babybassin 2000 l/h Relaxbassin 3000 l/h Spabassin 2000 l/h Tank 4000 l/h Størrelse af tank l Tabel 47 Oversigt over referencesystem for parameteranalyse med vakuumrørsolfangere. Parameteranalysen vil således blive foretaget med de i Tabel 47 angivne størrelser som referencer. Efterhånden som en parameter optimeres, anvendes den optimale værdi som reference i de efterfølgende analyser, da ændring af én parameter kan have indflydelse på den optimale værdi af en anden parameter. 153

155 16.1 Optimering af flow i solfangerkreds I det følgende optimeres flowet i solfangerkredsen. Når flowet ændres må også rørstørrelserne ændres, idet det hele tiden ønskes at holde en hastighed i rørene på mellem 0,5-1 m/s. Rørstørrelserne er således beregnet sådan, at hastigheden i rørene ligger omkring 0,9 m/s. Foruden rørstørrelserne og flowet fastholdes alle øvrige størrelser som angivet i Tabel 47. Dermed får følgende resultat for nettoydelsen for solvarmeanlægget som funktion af flowet Nettoydelse som funktion af flow Nettoydelse [kwh/år] Flow [l/h] Figur 130 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af flow i solfangerkreds. Hvor nettoydelsen er beregnet som det totale energiforbrug i bassinerne og tanken minus den tilførte energi fra kedlerne, som altså simulerer fjernvarmetilførslen. Som angivet på Figur 130, giver et flow på 8000 l/h, svarende til 0,54 l/min/m 2 solfangerareal, det bedste resultat. Således vælges det at optimere systemet, ved at vælge et flow på 8000 l/h, hvormed den indre rørdiameter i solfangerkredsen bliver 58 mm. 154

156 16.2 Optimering af hældning på solfangere I det følgende optimeres hældningen på solfangerne. Figur 131 nedenfor viser nettoydelsen for solvarmeanlægget som funktion af hældningen på solfangerne. Som det fremgår, er den optimale hældning 35. Således vælges det at anvende en hældning på Nettoydelse som funktion af hældning Hældning [ ] Figur 131 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af hældning på solfanger Optimering af isolering af udendørs rør I det følgende optimeres isoleringen på den udendørs rørføring i solfangerkredsen Fremløbsrør Først optimeres for fremløbsdelen, det vil sige for den del af rørstrækningen, der løber fra solfangerne mod bassinerne og tanken. Der differentieres mellem frem- og returløbsrør, da temperaturerne heri vil være meget forskellige, og derfor kan betydningen af isoleringens tykkelse variere alt efter, om der er tale om frem- eller returløbsrør. 155

157 Nettoydelse som funktion af isoleringstykkelse, fremløbsrør Nettoydelse[kWh/år] Isolering [mm] Figur 132 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af isoleringstykkelse på udendørs fremløbsrør. Figur 132 ovenfor viser, at nettoydelsen stiger i takt med isoleringstykkelsen, hvilket er ganske som forventet. Dog må gevinsten i energi stå mål med de øgede omkostninger, hvorfor det ikke vil være hensigtsmæssigt at vælge en isoleringstykkelse på 100 mm, da gevinsten herved set i forhold til en mindre isoleringstykkelse kun er ganske lille. Den største gevinst ses i forskellen mellem ingen isoleringstykkelse og en isoleringstykkelse på 10 mm. Det vælges imidlertid at køre med en isoleringstykkelse på 20 mm, da en yderligere øgning ikke retfærdiggøres af den minimale gevinst i solvarmeenergi. 156

158 Returløbsrør I det følgende optimeres for returløbsdelen, det vil sige for den del af rørstrækningen, der løber til solfangerne fra bassinerne og tanken Nettoydelse som funktion af isoleringstykkelse, returløbsrør Nettoydelse [kwh/år] Isolering [mm] Figur 133 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af isoleringstykkelse på udendørs returløbsrør. Som Figur 133 viser, stiger solvarmeanlæggets nettoydelse også her i takt med stigende isoleringstykkelse. Som for fremløbsrøret må gevinsten dog stå mål med omkostningen ved at øge tykkelsen på isoleringen, og derfor vælges det også her at nøjes med en isoleringstykkelse på 20 mm. Det vælges ikke at foretage en analyse på den indendørs rørføring, hvor betydningen af isoleringen vil være mindre end for den udendørs rørføring. Således vælges det at isolere alle rør med 20 mm. isolering. 157

159 16.4 Optimering af temperatur differens for start og stop af pumpe I det følgende undersøges det, hvor stor temperaturdifferensen, ΔT, mellem solfangervæsken ved solfangernes udløb og det nederste lag i tanken bør være, før pumpen skal sætte i gang. Da ΔT for aktivering bør være højere end ΔT for deaktivering, vælges det at sætte ΔT for deaktivering lig med 0, når det undersøges, hvad den optimale værdi af ΔT for aktivering af pumpen er. Omvendt sættes ΔT for aktivering af pumpen lig med 3 K, når det undersøges, hvad den optimale værdi af ΔT for deaktivering af pumpen er.det undersøges først, hvad den optimale temperaturforskel for aktivering af pumpen er. Nettoydelse[kWh/år] Nettoydelse som funktion af ΔT for aktivering ΔT deaktivering: 0 K 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Temperatur differens[mm] Figur 134 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af temperaturdifferensen, mellem solfangervæsken og det nederste lag i tanken, som styrer aktivering af pumpen i solfangerkredsen. Nettoydelse[kWh/år] Nettoydelse som funktion af ΔT for deaktivering ΔT aktivering: 3 K 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Temperatur differens[mm] Figur 135 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af temperaturdifferensen, mellem solfangervæsken og det nederste lag i tanken, som styrer deaktivering af pumpen. 158

160 Som det fremgår af Figur 134 og Figur 135, er nettoydelsen størst, når pumpen aktiveres og deaktiveres ved en temperaturdifferens på 0 K. Forskellen i nettoydelsen for et system med aktivering og deaktivering ved ΔT=0 K og et system med aktivering ved ΔT=2 K er dog meget lille. Det bør således undersøges, hvor meget ekstra energi, der bruges på pumpedrift i perioder, hvor temperaturdifferensen er meget lille, da denne mængde energi selvsagt ikke må overstige den mængde energi, der vindes ved at pumpen her er i drift. Ydermere kan der opstå nogle problemer i styringen, ved at lade pumpen henholdsvis aktivere og deaktivere ved den samme temperaturforskel. På baggrund af dette vælges det at lade pumpen aktivere ved en temperaturforskel på 2 K og dekativere ved en temperaturforskel på 0 K Optimering af flow på sekundærside af varmevekslere I det følgende undersøges det, om flowet på sekundærsiden af varmevekslerne kan medvirke til at optimere udnyttelsen af solenergien. Først undersøges flowet til bassinernes varmevekslere, mens flowet til tankens varmeveksler fastholdes som angivet i Tabel 47. Det skal her nævnes, at det optimale flow på sekundærsiden formodentlig vil afhænge af flowet på primærsiden, som her er flowet i solfangerkredsen. Da det optimale flow i solfangerkredsen tidligere er fundet til 8000 l/h, er der imidlertid taget højde for dette, da analysen her foretages med netop et flow på 8000 l/h i solfangerkredsen. Nettoydelse[kWh/år] Nettoydelse som funktion af flow til bassinernes varmevekslere Flow [l/h] Figur 136 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af flow til bassinernes varmevekslere på sekundærsiden. Som Figur 136 viser, er nettoydelsen afhængig af flowet til bassinernes varmevekslere. Det ses, at flows større end l/h ikke giver anledning til nogen mærkbar stigning i den samlede mængde udnyttede solvarme, hvorfor et flow på l/h anses for optimalt. 159

161 Det undersøges yderligere, om flowet kan reduceres til nogle af varmevekslerne, uden det vil reducere den samlede mængde solenergiproduktion. Det forventes, at flowet til den sidste varmeveksler, som er tilknyttet svømmebassinet, er af størst betydning, og det undersøges således, hvor meget flowet til de 4 øvrige bassiners varmevekslere kan reduceres, når flowet til svømmebassinets varmeveksler fastholdes på l/h. Nettoydelse[kWh/år] Nettoydelse som funktion af flow til de 4 varmeste bassiners varmevekslere Flow [l/h] Figur 137 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af flowet til de 4 varmeste bassiners varmevekslere. Som det fremgår af Figur 137, kan flowet til de 4 varmeste bassiner reduceres kraftigt, uden det påvirker solvarmeanlæggets samlede nettoydelse. Således er mængden af udnyttet energi ved et flow på henholdsvis 2000 l/h og l/h stort set identisk, og det vælges derfor at køre med et flow til de 4 varmeste bassiner på 2000 l/h. Flowet til tankens varmeveksler undersøges hernæst. Her fastholdes flowene til de 4 varmeste bassiner og svømmebassinet på henholdsvis 2000 l/h og l/h, som netop er fundet til at være optimale værdier. 160

162 Nettoydelse som funktion af flow til varmtvandstanks varmeveksler Nettoydelse[kWh/år] Flow [l/h] Figur 138 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af flowet til tankens varmeveksler på sekundærsiden. Som det fremgår af Figur 138, er det optimale flow til sekundærsiden af tankens varmeveksler 2000 l/h. I modsætning til det tilsvarende tilfælde for svømmebassinet, stiger mængden af udnyttet solvarmeenergi ikke i takt med flowet. Dette skyldes, at designet af tanken, grundet indløb af opvarmet vand gennem en stratificeringslance, giver anledning til temperaturlagdeling under solfangerdrift, hvilket altså betyder, at for høje flows giver en dårligere udnyttelse af solenergien, da der dermed vil tages en del af det varme vand ud af tanken. Det optimale flow for tanken er således 2000 l/h. Ved at vælge en tank med et større volumen vil flowet formentlig kunne øges yderligere, og dermed kunne en bedre nettoydelse opnås. Dette undersøges imidlertid ikke, da der i forvejen findes en tank i Øbrohallen på l, og det vurderes derfor at være for dyrt at skifte tanken ud med en større, set i forhold til den mængde energi, der eventuelt kunne vindes ved det Optimering af varmevekslere I det følgende undersøges det, om de valgte størrelser på varmevekslerne kan reduceres med samme resultat til følge. Derved vil anskaffelsesprisen på varmevekslerne kunne reduceres, uden solvarmeanlæggets nettoydelse forringes. 161

163 Nettoydelse som funktion af varmevekslerkapacitet Nettoydelse[kWh/år] Varmeoverføringsevne [W/K] Figur 139 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af varmevekslernes kapacitet. Som det fremgår af Figur 139, giver en øget varmeoverføringsevne anledning til en øgning i solvarmeanlæggets nettoydelse. Varmevekslere er imidlertid dyre, og det er derfor værd at undersøge, om der kan spares på nogle af varmevekslerne. Det vælges at fastholde svømmebassinets kapacitet, og derefter undersøge, hvorvidt de øvrige varmevekslere kan reduceres i størrelse, uden det påvirker det samlede resultat. Det undersøges først, om varmevekslerne til de 4 varmeste bassiner kan reduceres. Varmevekslerne til svømmebassinet og tanken fastholdes her med en overføringsevne på W/K Nettoydelse som funktion af varmevekslerkapacitet for de 4 varmeste bassiner Nettoydelse[kWh/år] Varmeoverføringsevne [W/K] Figur 140 Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af varmevekslernes kapacitet til de 4 varmeste bassiner, spa-, relax-, baby- og undervisningsbassinet. 162

164 Som det fremgår af Figur 140, har det ingen betydning for det samlede resultat, hvorvidt der anvendes varmevekslere med en varmeoverføringsevne på 5000 W/K eller W/K til de 4 varmeste bassiner. Da den mindste varmeveksler vil være den billigste, besluttes det at benytte en varmeveksler med en varmeoverføringsevne på 5000 W/K til de 4 varmeste bassiner. Det undersøges om varmeveksleren til tanken kan reduceres i størrelse. Her fastholdes en varmeoverføringsevne til de 4 varmeste bassiner på 5000 W/K og til svømmebassinet på W/K Nettoydelse som funktion af varmevekslerkapacitet til tank Nettoydelse[kWh/år] Varmeoverføringsevne[W/K] Figur Solvarmeanlæggets nettoydelse med vakuumrørsolfangere som funktion af varmevekslerens kapacitet til tank. Som det fremgår af Figur 141, har også størrelsen af varmeveksleren til tanken indflydelse på det samlede resultat. Der produceres stort set lige meget energi, om der vælges en varmeveksler med en varmeoverføringsevne på W/K eller W/K, hvorfor den ikke bør vælges større end W/K. Således må det konkluderes, at varmevekslerne til de 4 varmeste bassiner skal vælges med en varmeoverføringsevne på 5000 W/K, mens det vil afhænge af prisforskellen på en stor og en lille varmeveksler, hvorvidt der skal vælges større varmevekslere til henholdsvis svømmebassinet og tanken. Som det senere vil vise sig, er priserne på varmevekslere imidlertid høje, når der er at gøre med klorholdigt vand, og en varmeveksler større end W/K bør således ikke vælges til svømmebassinet, såfremt omkostningerne skal stå mål med gevinsten i energi. I Tabel 48 nedenfor er det sammenfattet, hvilke tiltag der gøres for at optimere systemet. 163

165 Emne Størrelse Flow i solfangerkreds 8000 l/h Indre rørdiameter 58 mm Hældning på solfangere 35 Isoleringstykkelse af udendørsrør 20 mm ΔT for aktivering af pumpe i solfangerkreds 2 K ΔT for deaktivering af pumpe i solfangerkreds 0 K Flow til varmevekslere til spa-, relax-, baby-, og 2000 l/h undervisningsbassin Flow til varmeveksler til svømmebassin l/h Flow til varmeveksler til tank 2000 l/h Varmeoverføringsevne til spa-, relax-, baby-, og 5000 W/K undervisningsbassin Varmeoverføringsevne til svømmebassin W/K Varmeoverføringsevne til tank W/K Tabel 48 Oversigt over optimale værdier I solfangersystemet med vakuumrørsolfangeren RZ Solartechnik DF Hermed bliver ydelsen af solvarmeanlæggene med henholdsvis vakuumrørsolfangeren og den plane solfanger efter optimering, som angivet i nedenstående Figur 142 og Figur 143. Ydelse [kwh] Månedlige ydelser af solvarmeanlæg efter optimering Måned [-] Nettoydelse for RZ Solartechnik DF 120-6, vakuumrørsolfanger Bruttoydelse for RZ Solartechnik DF 120-6, vakuumrørsolfanger Nettoydelse for Winkler Variosol A-antireflex, plan solfanger Bruttoydelse for Winkler Variosol A-antireflex, plan solfanger Figur 142 Månedlige ydelser for optimerede solvarmeanlæg med henholdsvis plane solfangere og vakuumrørsolfangere. 164

166 Årlige ydelser af solvarmeanlæg Ydelse [kwh/år] Winkler Variosol A-antireflex, plan solfanger RZ Solartechnik DF 120-6, vakuumrørsolfanger Nettoydelse Bruttoydelse Figur 143 Årlige ydelser for optimerede solvarmeanlæg med henholdsvis plane solfangere og vakuumrørsolfangere. 165

167 17. Dimensionering af pumpe i solfangerkreds I det følgende dimensioneres pumpen i solfangerkredsen Dimensionering af pumpe i solfangerkreds med vakuumrørsolfanger Pumpen I solfangerkredsen dimensioneres således, at det ønskede flow på 8000 l/h kan opretholdes under alle givne forhold. Således må tryktabene i solfangerkredsen beregnes. Friktionstabet i de lige rørstrækninger kan beregnes af følgende formel [12]: Hvor v er hastigheden i røret, v er densiteten af væsken, L er rørlængden og d i er rørets indre diameter. λ friktion beregnes af colebrooks formel nedenfor: (XIX) (XX) Som det fremgår, foregår det via iteration. Hvis dette vil undgås, kan den tilnærmede formel benyttes [12]: Hvor Reynolds tal, Re, er givet ved: Her er ν viskositeten i solfangervæsken. (XXI) (XXII) Af bilag 24, 25 og 26 fremgår det, hvorledes rørføringen til og fra solfangerne på taget foregår. Det er tilsigtet at vælge en rørføring med rørdimensioner således, at tryktabet gennem alle solfangere bliver det samme. Af bilag 25 og 26 fremgår det, hvad tryktabet gennem de forskellige solfangere bliver. Ved sammenlægning af tryktabene gennem de forskellige solfangere og rørstrækninger fås følgende værdier for henholdsvis det største og det mindste totale tryktab i kredsen. Tryktab i kreds Maksimale tryktab i kreds Mindste tryktab i kreds Tabel 49 Oversigt over det største og mindste tryktab i solfangerkredsen uden trykregulering Pa Pa Da det er ønsket, at tryktabet skal være det samme, uanset hvilken vej væsken løber, er der således 2 muligheder. Rørstørrelserne kan ændres, eller der kan indsættes modstande der, hvor tryktabene er mindre end det maksimale tryktab. Da rørstørrelser ikke umiddelbart fås i alle tænkelige størrelser, vælges det at beholde de valgte rørdimensioner og indsætte modstande der hvor tryktabet er mindre end det største tryktab. 166

168 Som det fremgår af bilag 24 gennemløber væsken de fleste steder 2 solfangere. I enkelte tilfælde vil den dog kun gennemløbe 1 solfanger, hvilket ses som sektion 9 på bilag 24. Her må der indsættes en yderligere modstand svarende til tryktabet i en solfanger, altså svarende til 4000 Pa. Friktionstabet i solfangerkredsens lige rørstrækninger er som sagt beregnet ud fra bilagene 24, 25 og 26. I Tabel 50 er angivet de totale rørlængder i solfangerkredsen og i Tabel 51 er angivet de rørlængder og rørdimensioner samt solfangervæskens egenskaber, som benyttes til at beregne tryktabene. Rørlængder i solfangerkreds med vakuumrørsolfanger [m] Returløb, ude 91,8 Returløb, inde 49,5 Fremløb, ude 99,9 Fremløb, inde 60,5 Rørføring i alt 301,7 Tabel 50 Oversigt over rørføring for solvarmeanlæg med vakuumrørsolfanger d i [m] Densitet [kg/m 3 ] k [m] l [m] ν [m 2 /s] 0, ,7 0, ,5 0, , ,7 0, ,7 0, , ,7 0, ,7 0, , ,7 0, ,7 0, , ,7 0, ,7 0, , ,7 0, ,7 0, , ,7 0, ,7 0, , ,7 0, ,7 0, , ,7 0, ,1 0, , ,7 0, ,2 0, , ,7 0, ,2 0, , ,7 0, ,4 0, , ,7 0, ,4 0, Tabel 51 Inputs til beregning af rørtab I solfangerkreds Her er solfangervæskens densitet og viskositet beregnet ud fra en temperatur i solfangervæsken på 11, som antages at være minimumværdien når pumpen er i drift, da koldtvandstemperaturen vil ligge på 10 C i bunden af tanken. Da friktionstabet falder i takt med stigende temperaturer er beregningerne således på den sikre side, ved at benytte den minimalt forekomne temperatur under pumpedrift. Nedenstående Figur 144 viser tryktabet i solfangerne som funktion af flowet, som er benyttet til at beregne det samlede tryktab [13]. Som det fremgår, er tryktabet ved et flow på 150 l/h lig med 4000 Pa. Af bilag 25 fremgår det, at flowet gennem hver enkelt solfanger vil være 148,2 l/h, og dermed er tryktabet gennem solfangerne, som er benyttet til beregningerne, sat til 4000 Pa. 167

169 12000 Tryktab i solfanger som funktion af volumenstrøm Tryktab [Pa] Volumenstrøm [l/h] Figur 144 Tryktab i vakuumrørsolfangeren RZ Solartechnik DF som funktion af volumenstrømmen. Foruden friktionstabet i den lige rørstrækning vil der forekomme enkelttab ved bøjninger, ventiler og øvrige komponenter på rørstrækningen. Ved dimensionering af pumpe kan disse antages at udgøre 25% af friktionstabet i de lige rørstrækninger. Derudover kan enkelttabet i kontraaventilen sættes til 5kPa. Altså kan det samlede tryktab i rørstrækningen skrives som [12]: Hvor ΔP F er friktionstabet i rørstrækningen mens ΔP k er enkelttabet i kontraventilen på de 5 kpa. Det dimensionerende tryktab bliver dermed: Det samlede tryktab sammenholdes med kapaciteten for en given pumpe, som altså skal kunne levere et tryk på Pa ved en volumenstrøm på 8000 l/h. Således vælges en pumpe af typen Grundfos TP , som ved en volumenstrøm på 8000 l/h kan levere et tryk på Pa. En trykreguleringsventil er således nødvendig, så volumenstrømmen holdes på 8000 l/h. 168

170 17.2 Dimensionering af pumpe i solfangerkreds med plan solfanger Som det fremgår af bilag 27 er rørlængderne af rørføringen på taget her mindre end for vakuumrørsolfangerne. Den samlede rørføring bliver som vist i Tabel 52. Rørlængder i solfangerkreds med plan solfanger [m] Returløb, ude 65,2 Returløb, inde 49,5 Fremløb, ude 92,4 Fremløb, inde 60,5 Rørføring i alt 267,6 Tabel 52 Rørlængder for solvarmeanlæg med plan solfanger. Da der ikke findes information omkring tryktabet i den plane solfanger og af hensyn til at begrænse arbejdsmængden i opgaven, vælges det blot at vælge en pumpe af samme størrelse som for vakuumrørsolfangeren, altså en Grundfos TP Dimensionering af øvrige pumper Pumperne på varmevekslernes sekundærside dimensioneres ikke, da tryktabet i rørene her er yderst minimalt grundet de meget korte rørafstande til og fra varmevekslerne. Det sikres således blot, at de valgte pumper kan yde den volumenstrøm, som er påkrævet. Tabel 53 nedenfor viser de valgte pumper samt det tilhørende løftetryk ved de givne volumenstrømme. Volumenstrøm [l/h] Pumpe Pumpeløftetryk ved given volumenstrøm [Pa] 2000 Grundfos UPS Grundfos UPS Grundfos UPS Grundfos UPS F Tabel 53 Oversigt over valgte pumper til solfangerkredsen 18. Oversigt over optimerede solvarmeanlæg På basis af parameteranalysen foretaget i afsnit 15 og 16, samt den endelige fastsættelse af rørlængder og solfangerarealer i afsnit 17, bringes hermed en oversigt over de optimerede anlæg for henholdsvis den plane solfanger og vakuumrørsolfangeren. Foruden de fundne optimale parametre, er solfangernes totale bruttoareal fundet med hensyntagen til tagets udformning og solfangernes dimensioner. Af bilag 24 og 27 ses det, hvordan solfangerne kan placeres på taget og dermed hvor mange paneler, der er plads til. Med hensyn til den plane solfanger har producenten gjort opmærksom på, at den produceres med en lang række forskellige dimensioner, som det fremgår af bilag 28. Til store projekter anbefales således større paneler, som giver færre forbindelser og dermed er nemmere og billigere at installere. Disse solfangere er således valgt med dimensionerne 7x2,5 meter. 169

171 18.1 Oversigt over det optimerede solvarmeanlæg med plan solfanger Som det fremgår af Tabel 54 nedenfor, er solfangerarealet for den plane solfanger en anelse mindre end det hidtidige referenceareal på 250 m 2. Det skyldes, at forholdet mellem solfangernes dimensioner og taget gør, at arealet ikke kan være større end dette. Oversigt over solvarmeanlæg med plan Størrelse solfanger Brutto-solfangerareal 245 m 2 Transparent solfangerareal 223,2 m 2 Hældning på solfangere 40 Orientering -36,9 Flow i solfangerkreds, Høj/lav volumenstrøm 8000 l/h Indre rørdiameter 58 mm Hastighed i rør, Høj/lav volumenstrøm 0,84 m/s Isoleringstykkelse, rør inde 20 mm Isoleringstykkelse, rør ude 20 mm Rørlængde ude, fremløb 92,4 m Rørlængde inde, fremløb 60,5 m Rørlængde ude, returløb 65,2 m Rørlængde inde, returløb 49,5 m Temperaturforskel for aktivering af pumpe 2 K Temperaturforskel for deaktivering af pumpe 0 K Varmeoverføringsevne for varmevekslere i solfangerkreds: Svømmebassin W/K Undervisningsbassin 5000 W/K Babybassin 5000 W/K Relaxbassin 5000 W/K Spabassin 5000 W/K Tank W/K Varmeoverføringsevne for varmevekslere til kedler: Svømmebassin 5000 W/K Undervisningsbassin 5000 W/K Babybassin 5000 W/K Relaxbassin 5000 W/K Spabassin 5000 W/K Tank 5000 W/K Størrelse af tank l Tabel 54 Oversigt over det optimerede solvarmeanlæg med Winkler Variosol A-antireflex, plan solfanger. 170

172 Med dette anlæg opnås følgende ydelse. Oversigt over ydelsen for optimeret anlæg med Winkler Variosol A-antireflex Bruttoydelse [kwh/år] Nettoydelse [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] 741,9 Nettoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] 727,0 Tabel 55 Ydelse for det optimerede anlæg med Winkler Variosol A-antireflex Som det ses af Tabel 55 ovenfor er den samlede bruttoydelse over året kun steget en meget lille smule i forhold til ydelsen der blev fundet med referenceanlægget i afsnit 10. Årsagen til at denne stigning er så lille er, at det endelige optimerede system har et mindre transparent areal, end det der er anvendt i udregningerne med referenceanlægget. Det ses dog, at bruttoydelsen per transparent areal er højere end den var med referenceanlægget, hvilket viser at det optimerede anlæg er mest effektivt. Af Figur 145 og Figur 146 nedenfor ses fordelingen af solvarmen på de 5 bassiner og tanken med det optimerede system på henholdsvis måneds og årsbasis. Som det ses er det tanken samt det koldeste af bassinerne, svømmebassinet, som modtager langt den største del af solvarmen, hvilket er ganske som forventet. Nettoydelse[kWh/måned] Fordeling af nettoydelsen på bassiner og tank ved optimeret solvarmeanlæg med Winkler Variosol A-antireflex Måned [-] Svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Varmtvandstank Figur 145 Fordeling af overført solvarme for optimeret anlæg med den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex. 171

173 Fordeling af solvarme på årsbasis, optimeret anlæg med Winkler Variosol A-antireflex 2% 39% 6% 4% 10% Spabassin Relaxbassin Babybassin Undervisningsbassin 39% Svømmebassin Varmtvandstank Figur Fordeling af solvarme på årsbasis for optimeret anlæg med den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex. 172

174 18.2 Oversigt over det optimerede solvarmeanlæg med vakuumrørsolfanger Af Tabel 56 nedenfor ses en oversigt over det optimerede solvarmeanlæg med vakuumrørsolfangeren, RZ Solartechnik DF 120-6, som tidligere er fundet til at være den vakuumrørsolfanger med den største ydelse. Oversigt over optimeret solvarmeanlæg med Størrelse vakuumrørsolfanger Brutto-solfangerareal 251 m 2 Transparent solfangerareal 183,5 m 2 Hældning på solfangere 35 Orientering -36,9 Flow i solfangerkreds, Høj/lav volumenstrøm 8000 l/h Indre rørdiameter 58 mm Hastighed i rør, Høj/lav volumenstrøm 0,84 m/s Isoleringstykkelse, rør inde 20 mm Isoleringstykkelse, rør ude 20 mm Rørlængde ude, fremløb 99,9 m Rørlængde inde, fremløb 60,5 m Rørlængde ude, returløb 91,8 m Rørlængde inde, returløb 49,5 m Temperaturforskel for aktivering af pumpe 2 K Temperaturforskel for deaktivering af pumpe 0 K Varmeoverføringsevne for varmevekslere i solfangerkreds: Svømmebassin W/K Undervisningsbassin 5000 W/K Babybassin 5000 W/K Relaxbassin 5000 W/K Spabassin 5000 W/K Tank W/K Varmeoverføringsevne for varmevekslere til kedler: Svømmebassin 5000 W/K Undervisningsbassin 5000 W/K Babybassin 5000 W/K Relaxbassin 5000 W/K Spabassin 5000 W/K Tank 5000 W/K Størrelse af tank l Tabel 56 - Oversigt over det optimerede solvarmeanlæg med RZ Solartechnik DF 120-6, vakuumrørsolfanger. 173

175 Med følgende optimerede system fås følgende ydelse af anlægget. Oversigt over ydelsen for optimeret anlæg med RZ Solartechnik DF Bruttoydelse [kwh/år] Nettoydelse [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] 831,2 Nettoydelse per transparent areal [kwh/m 2 /år] 811,3 Tabel 57 - Ydelse for det optimerede anlæg med vakuumrørsolfangeren, RZ Solartechnik DF Igen kan det konstateres at både den samlede ydelse samt ydelsen per transparent areal er steget i forhold til resultaterne fundet med referenceanlægget. Dette skyldes dels, at anlægget er optimeret og dels at buttoarealet her er større end det der blev estimeret til referenceanlægget beskrevet i afsnit Af Figur 147 og Figur 148 ses fordelingen af solvarmen på bassinerne og varmtvandstanken med det optimerede system. Som det fremgår, er det også med denne solfanger varmtvandstanken og svømmebassinet som modtager langt den største del af solvarmen. Fordeling af nettoydelsen på bassiner og tank ved optimeret solvarmeanlæg med RZ Solartechnik DF Ydelse [kwh/måned] Måned [-] Svømmebassin Undervisningsbassin Babybassin Relaxbassin Spabassin Varmtvandstank Figur Fordeling af overført solvarme for optimeret anlæg med vakuumrørsolfangeren RZ Solartechnik DF

176 Fordeling af solvarme på årsbasis, optimeret anlæg med RZ Solartechnik DF % 42% 3% 4% 8% Spabassin Relaxbassin Babybassin 42% Undervisningsbassin Svømmebassin Varmtvandstank Figur Fordeling af solvarme på årsbasis for optimeret anlæg med vakuumrørsolfangeren RZ Solartechnik DF Af Figur 149 nedenfor ses netto og bruttoydelsen for de to solvarmeanlæg. Som det fremgår, er det stadig anlægget med den plane solfanger, hvor den største ydelse opnås. I det følgende vil det undersøges hvilken af de to solfangere, der er økonomisk mest rentabel. Ydelse [kwh/måned] Netto - og bruttoydelse af optimerede anlæg Måned [-] Winkler Variosol A-antireflex, nettoydelse RZ, Nettoydelse Winkler Variosol A-antireflex, bruttoydelse RZ, Bruttoydelse Figur 149 Netto og bruttoydelse for de optimerede anlæg med henholdsvis den bedste plane solfanger og den bedste vakuumrørsolfanger. 175

177 19. Økonomisk vurdering af anlæg I det følgende foretages en økonomisk vurdering af de to anlæg med henholdsvis den plane solfanger, Winkler Variosol A-antireflex, og vakuumrørsolfangeren, RZ Solartechnik DF Der anvendes i afsnittet flere forskellige modeller til vurdering af investeringen, således at den økonomiske vurdering ikke alene foretages på baggrund af én model. De modeller der anvendes omhandler henholdsvis tilbagebetalingstid, rentabilitetsfaktor og omkostninger ved den sparede energi. Det er således hensigten, at tilbagebetalingstiden skal være mindre end 30 år, som er anlæggets estimerede levetid, omkostningerne forbundet med den sparede energi skal være mindre end energiprisen, og rentabilitetsfaktoren skal være tilstrækkelig høj. Priserne på solvarmeanlæggene er så vidt muligt hentet direkte hos enten producenten eller forhandleren. Priserne på pumper, trevejsventiler, trykekspansionsbeholder og varmevekslere er således hentet hos Armatec, mens priserne på solfangerne er hentet direkte hos de respektive producenter. I enkelte tilfælde har det ikke været muligt at indhente priser, og her er der foretaget estimeringer af de formodede priser. Her er der tale om posterne varmespiral, rør+isolering, arbejdsløn samt diverse ekstra udgifter Økonomisk vurdering af Winkler Variosol A-antireflex I det følgende vurderes prisen for det samlede solvarmeanlæg med solfangeren Winkler Variosol A- antireflex. I Tabel 58 nedenfor er priserne på komponenterne listet. 176

178 Komponenter Pris pr. stk. [Dkr] Antal [-] Pris i alt [Dkr] Winkler Variosol A-antireflex Transport af solfangere til København Trevejsventiler (8m 3 /time) Trykreduktionsventiler (Til solfangerkreds+tank) Cirkulationspumpe til solfangerkreds (Grundfos TP ) Pumper på sekundærside af varmevekslere til Spa, relax, baby og undervisningsbassin (Grundfos UPS 32-50) Pumpe på sekundærside af varmeveksler til svømmebassin (Grundfos UPS F) Pumpe på sekundærside af varmeveksler til varmtvandsbeholder (Grundfos UPS 32-50) Varmevekslere til Spa, relax, baby og undervisningsbassin (90kW - titaniumveksler) Varmeveksler til svømmebassin Varmeveksler til tank (90 kw titaniumveksler) Trykekspansionsbeholder Varmespiral Rør + isolering (58 mm i indre) Diverse ekstra udgifter Løn Investeringsomkostninger i alt (C) Tabel 58 Investeringsomkostninger for Winkler Variosol A-antireflex Udgifter til varmtvandsbeholder optræder ikke, da den eksisterende varmtvandsbeholder forudsættes at kunne genbruges. Udgiftsposten til varmevekslere er meget stor, hvilket skyldes, at der er valgt titaniumvekslere. Årsagen til dette er, at standardvekslere har en alt for kort levetid, når der anvendes klorholdigt vand. Således foreskriver Armatec en levetid på standardvekslerne på 1-5 år, mens titaniumvekslerne kan forventes at holde mere eller mindre for evigt. Da prisforskellen ligger på omkring en faktor 4, er det altså vurderet at være mest hensigtsmæssigt med titaniumvekslere. Tabel 59 nedenfor viser de årlige drifts- og vedligeholdsomkostninger for solvarmeanlægget. Driftsomkostninger: Mængde [kwh] Enhedspris [Dkr/kWh] Pris [Dkr/år] El til drift af pumper m.m ,3588 [14] 3253 Vedligehold (0,2% af investering) 2602 Driftsomkostninger i alt (c drift ) 5855 Tabel 59 Drifts- og vedligeholdsomkostninger for Winkler Variosol A-antireflex Vedligeholdelsesomkostningerne er bestemt som 0,2% af de samlede systemomkostninger [15]. I Tabel 60 nedenfor ses den årlige besparelse henholdsvis med og uden hensyntagen til drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne. 177

179 Årlig Besparelse Mængde [kwh/år] Enhedspris [Dkr/kWh] Pris Dkr/år] Årlig besparelse (d) ,647 [16] Årlig besparelse inkl. drift og vedligehold (d-c drift ) Tabel 60 Årlig besparelse for Winkler Variosol A-antireflex Tilbagebetalingstiden med hensyntagen til inflation og rente kan regnes af formel (XXVI) nedenfor [17]. Den årlige inflation over de sidste 20 år i Danmark har ifølge Danmarks statistikbank i gennemsnit været 2,11% [18]. Dog forventes energipriserne at stige mere end den gennemsnitlige inflation, og der regnes derfor med en inflation på 3% (i=0,03) [19]. Renten sættes til 6,5% (r=0,065). Investeringens rentabilitetsfaktor kan regnes af nedenstående formel [19]. Investeringen vil altså kunne vurderes at være rentabel, såfremt rentabilitetsfaktoren, RF, er større end 1,33. Herudover kan energispareprisen, CSE, regnes[19]. Denne størrelse er en økonomisk model, der med indregning af levetid og energibesparelser samt med baggrund i en annuitetsbetragtning, beregner prisen for at spare 1 kwh. Denne størrelse sammenlignes med den nuværende pris for 1 kwh, og såfremt den ligger under denne, regnes tiltaget at være lønsomt. Energispareprisen kan regnes af formel (XXVIII) nedenfor: Der regnes med en løbetid på lånet på 30 år samt en levetid af anlægget ligeledes på 30 år. Det betyder altså, at restværdien af anlægget ved lånets udløb vil være 0 kroner. Annuitetsfaktoren, a(n,r r ), som er en faktor til omregning af investeringen til årlig ydelse af lånet over n år kan regnes som: Her angiver r r realrenten som kan sættes til 2,5% [19], e angiver realudviklingen i energiudgifterne som kan sættes til 1,5% [19], mens n som sagt angiver lånets løbetid, som sættes til 30 år. Ved indsættelse af værdierne fra Tabel 58, Tabel 59 og Tabel 60 i formlerne, kan resultaterne sammenfattes til følgende: 178

180 Sammenfatning Investeringsomkostninger i alt Dkr Drift og vedligeholdelsesomkostninger i alt 5855 Dkr/år Årlig besparelse Dkr Årlig besparelse efter udgifter til drift og vedligehold Dkr Tilbagebetalingstid, P 19,2 år Rentabilitetsfaktor, RF 2,29 Energisparepris, CSE 0,347 Dkr/kWh Pris for fjernvarme 0,647 Dkr/kWh Overskud per sparet kwh 0,300 Dkr/kWh Årlig besparelse beregnet ud fra CSE Dkr Total besparelse på 30 år beregnet ud fra CSE Dkr Tabel 61 Sammenfatning af økonomiske resultater ved opførelse af solvarmeanlæg til Øbrohallen med den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex. Som det fremgår af resultaterne i Tabel 61 kan investeringen betragtes som lønsom. Tilbagebetalingstiden ligger således et pænt stykke under anlæggets levetid, vel at mærke med hensyntagen til inflation og renter. Den simple tilbagebetalingstid, hvor disse forhold ikke medtages, vil således være endnu lavere. Rentabilitetsfaktoren skal ligge over 1,33 såfremt tiltaget kan regnes for økonomisk rentabelt. Dette er ligeledes klart opfyldt, da rentabilitetsfaktoren som det fremgår af Tabel 61 ligger på 2,29. Endelig er der energispareprisen, som skal være mindre end energiprisen for 1 kwh. Som det ligeledes fremgår af Tabel 61, er prisen for en sparet kwh 0,347 Dkr, mens fjernvarmeprisen for 1 kwh ligger på 0,647 Dkr. Energispareprisen ligger altså væsentligt under energiprisen og således viser denne model også, at tiltaget er lønsomt. Tiltaget med et solvarmeanlæg til Øbrohallen viser sig altså ud fra disse betragtninger at være økonomisk rentabelt med Winkler Variosol A-antireflex som solfanger Økonomisk vurdering af RZ Solartechnik DF I det følgende undersøges det, hvorvidt solvarmeanlægget er økonomisk rentabelt med solfangeren RZ Solartechnik DF Den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex har vist sig at være overlegen ud fra en energimæssig betragtning, men det undersøges i det følgende, om RZ Solartechnik kan konkurrere på økonomien. Priserne her er indhentet på samme måde, som for Winkler Variosol A-antireflex. Mange af komponenterne er således de samme, hvorfor den største forskel ligger i prisen på solfangerne. Tabel 62 nedenfor viser priserne for anlægget. 179

181 Komponenter Pris pr. stk. [Dkr] Antal [-] Pris i alt [Dkr] RZ Solartechnik DF , Transport af solfangere til København Trevejsventiler (8m 3 /time) Trykreduktionsventiler (Til solfangerkreds+tank) Cirkulationspumpe til solfangerkreds (Grundfos TP ) Pumper på sekundærside af varmevekslere til Spa, relax, baby og undervisningsbassin (Grundfos UPS 32-50) Pumpe på sekundærside af varmeveksler til svømmebassin (Grundfos UPS F) Pumpe på sekundærside af varmeveksler til varmtvandsbeholder (Grundfos UPS 32-50) Varmevekslere til Spa, relax, baby og undervisningsbassin (60kW - titaniumveksler) Varmeveksler til svømmebassin Varmeveksler til tank (60 kw titaniumveksler) Trykekspansionsbeholder Varmespiral Rør + isolering (58 mm i indre) Diverse ekstra udgifter Løn Investeringsomkostninger i alt (C) Tabel 62 Investeringsomkostninger for RZ Solartechnik DF-120 Som det ses af Tabel 62 er den samlede pris for anlægget større, end prisen for anlægget med Winkler Variosol A-antireflex. Således kan det allerede på nuværende tidspunkt konkluderes, at anlægget med Winkler Variosol A-antireflex vil være at foretrække også ud fra en økonomisk betragtning. Dette bekræftes i det følgende. Driftsomkostningerne forbundet med anlægget fremgår af Tabel 63 nedenfor. Driftsomkostninger: Mængde [kwh] Enhedspris [Dkr/kWh] Pris [Dkr/år] El til drift af pumper m.m ,3588 [14] 3484 Vedligehold (0,2% af investering) 2746 Driftsomkostninger i alt (c drift ) 6230 Tabel 63 Drifts og vedligeholdsomkostninger for RZ Solartechnik DF-120 Vedligeholdelsesomkostningerne er også her bestemt som 0,2% af de samlede systemomkostninger. Tabel 64 nedenfor viser de årlige besparelser baseret på solvarmeanlæggets nettoydelse. 180

182 Årlig Besparelse Mængde [kwh/år] Enhedspris [Dkr/kWh] Pris [Dkr/år] Årlig besparelse (d) , Årlig besparelse inkl. drift og vedligehold (d-c drift ) Tabel 64 Årlig besparelse for RZ Solartechnik DF-120 Ved indsættelse af disse resultater i formlerne (XXVI), (XXVII) og (XXVIII) fås dermed følgende resultater: Sammenfatning Investeringsomkostninger i alt Dkr Drift og vedligeholdelsesomkostninger i alt 6230 Dkr/år Årlig besparelse Dkr Årlig nettobesparelse Dkr Tilbagebetalingstid 23,9 år Rentabilitetsfaktor 1,97 Energisparepris 0,399 Dkr/kWh Pris for fjernvarme 0,647 Dkr/kWh Overskud per sparet kwh 0,248 Dkr/kWh Årlig besparelse beregnet ud fra CSE Dkr Total besparelse på 30 år beregnet ud fra CSE Dkr Tabel 65 - Sammenfatning af økonomiske resultater ved opførelse af solvarmeanlæg til Øbrohallen med vakuumrørsolfangeren RZ Solartechnik DF Som Tabel 65 viser, er anlægget baseret på solfangeren RZ Solartechnik DF ligeledes rentabelt. Dog er afkastet mindre, end for anlægget med den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex. Dette skyldes dels at ydelsen er lavere og dels at investeringsomkostningerne er højere. På baggrund af resultaterne må det således konkluderes, at der også ud fra en økonomisk betragtning bør investeres i et anlæg med solfangeren Winkler Variosol A-antireflex frem for RZ Solartechnik DF

183 20. Økonomisk optimering af anlæg I det følgende vil det blive vurderet, hvilke tiltag der kan gøres, for at reducere de økonomiske omkostninger ved opførelsen af et solvarmeanlæg til Øbrohallen. Som det blev påvist i afsnit 18, er solvarmeanlægget med den plane solfanger, Winkler Variosol A- antireflex, rentabel inden for anlæggets levetid, som er vurderet til 30 år. Dog er det værd at undersøge, om en række af udgifterne til det forholdsvis omfattende anlæg kan skæres ned. Som nævnt er udgifterne til varmevekslerne ekstremt høje, idet der er tale om opvarmning af klorvand, hvilket stiller store krav til varmevekslerne, såfremt en lang levetid ønskes. Som det fremgår af Figur 150 nedenfor, går langt størstedelen af solvarmen til svømmebassinet og varmtvandstanken, og det må derfor vurderes, at ekstraomkostningerne til især varmevekslere, men også pumper og 3-vejsventiler, ikke står mål med gevinsten i solvarme. Hertil skal lægges, at en del af den energi, der går til de varme bassiner vil kunne overføres som yderligere energi i svømmebassinet og tanken. Fordeling af solvarme på årsbasis, optimeret anlæg med Winkler Variosol A-antireflex 2% 39% 6% 4% 10% Spabassin Relaxbassin Babybassin Undervisningsbassin 39% Svømmebassin Varmtvandstank Figur 150 Gentagelse af Figur Fordeling af solvarme på årsbasis for optimeret anlæg med den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex. Foretages en beregning i Polysun med anlægget beskrevet i afsnit 17.1 Tabel 54, dog hvor de fire varmeste bassiner ikke indgår, således at solvarmen udelukkende kan overføres til svømmebassinet og tanken, ses det, at solvarmeanlæggets ydelse kun falder en lille smule, i forhold til den tilsvarende beregning, hvor alle bassinerne indgår. Figur 151 nedenfor viser det simplificerede system, som det er sat op i Polysun. Som det fremgår spares herved udgifter til varmevekslere, pumper og 3-vejsventiler til de fire varmeste bassiner. Styringsstrategi 2 benyttes fortsat som styringsstrategi. 182

184 Figur 151 Oversigt over anlæg uden de fire varmeste bassiner. Af Tabel 66 nedenfor fremgår det, hvad ydelsen er for et anlæg med og uden tilknytning af de fire varmeste bassiner. Som det fremgår, er gevinsten i ydelsen ved tilknytning af de fire varmeste bassiner yderst begrænset og må derfor kunne konkluderes ikke at stå mål med ekstraudgifterne forbundet derved. Oversigt over ydelsen for optimeret anlæg med Winkler Variosol A-antireflex Bruttoydelse, inklusiv de fire varme bassiner [kwh/år] Nettoydelse, inklusiv de fire varme bassiner [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal, inklusiv de fire varme bassiner [kwh/m 2 /år] 741,9 Nettoydelse per transparent areal,, inklusiv de fire varme bassiner [kwh/m 2 /år] 727,0 Bruttoydelse, eksklusiv de fire varme bassiner [kwh/år] Nettoydelse, eksklusiv de fire varme bassiner [kwh/år] Bruttoydelse per transparent areal, eksklusiv de fire varme bassiner [kwh/m 2 /år] 733,6 Nettoydelse per transparent areal, eksklusiv de fire varme bassiner [kwh/m 2 /år] 718,4 Gevinst i bruttoydelse ved tilknytning af de fire varmeste bassiner [kwh/år] 1843 Gevinst i nettoydelse ved tilknytning af de fire varmeste bassiner [kwh/år] 1931 Tabel 66 Ydelse for det optimerede anlæg med Winkler Variosol A-antireflex med og uden de fire varmeste bassiner. Årsagen til denne yderst begrænsede gevinst forbundet ved at medtage de fire varmeste bassiner skal ses i lyset af solvarmeanlæggets bruttoydelse i forhold til svømmebassinets og tankens energibehov. Det samlede energiforbrug, og dermed energibehov, for tanken og svømmebassinet tilsammen, er i Polysun beregnet til på årsbasis at være kwh. Solvarmeanlæggets bruttoydelse ligger i omegnen af kwh, og således er der rig basis for, at al energien kan optages i svømmebassinet og tanken alene. Endda om sommeren, hvor anlæggets ydelse er rigtig høj, er svømmebassinet og tanken i stand til at optage al solenergien. Kun i Juli måned, hvor der grundet lukning af Øbrohallen ikke foregår aftapning af 183

185 tanken, bliver temperaturen i tanken så høj, at nettoydelsen forringes set i forhold til anlægget med tilknytning af alle bassinerne. Dette fremgår af Figur 152 nedenfor. Ydelse [kwh/måned] Netto - og bruttoydelse af solvarmeanlæg med og uden de fire varmeste bassiner Måned [-] Winkler Variosol A-antireflex, nettoydelse Winkler Variosol A-antireflex, bruttoydelse Nettoydelse ved anlæg uden de 4 varmeste bassiner Bruttoydelse ved anlæg uden de 4 varmeste bassiner Figur 152 Netto- og bruttoydelse for de optimerede anlæg med og uden de 4 varmeste bassiner. På baggrund af dette foretages i det følgende en kort fremlægning af resultaterne for solvarmeanlægget uden tilknytning af de fire varmeste bassiner samt en økonomisk vurdering heraf. Som det fremgår af Figur 153 og Figur 154, fordeles størstedelen af solvarmen på årsbasis til svømmebassinet, hvilket skyldes, at svømmebassinet modtager mest solvarme om sommeren, hvor ydelsen er størst. Dette skyldes, at solvarmevæsken løber til svømmebassinet inden den løber til tanken, såfremt temperaturen i solfangervæsken er højere end i bassinet. Om vinteren er det dog tanken der modtager mest solvarme, hvilket altså skyldes, at temperaturen i solfangervæsken her sjældent overgår temperaturen i svømmebassinet. 184

186 Fordeling af solvarme på årsbasis, optimeret anlæg med Winkler Variosol A-antireflex uden tilknytning af de 4 varmeste bassiner 41% 59% Svømmebassin Varmtvandstank Figur 153 Fordeling af solvarme på årsbasis, når de fire varmeste bassiner ikke medtages Fordeling af solvarmeanlæggets ydelse med Winkler Variosol A-antireflex uden tilknytning af de fire varmeste bassiner Ydelse [kwh/måned] Måned [-] Svømmebassin Varmtvandstank Figur 154 Fordeling af solvarme på månedsbasis, når de fire varmeste bassiner ikke medtages. I det følgende foretages en kort økonomisk analyse af anlægget uden tilknytning af de fire varmeste bassiner. Hermed spares investeringsomkostningerne til de fire varmevekslere, de fire trevejsventiler samt til de fire pumper, som ellers skulle være tilknyttet bassinerne. Alle øvrige udgifter er således identiske med de, som er angivet i Tabel 58, men grundet den store udgift på varmevekslerne opnås en 185

187 væsentlig reduktion i investeringsomkostningerne. Ved brug af formlerne (XXVI), (XXVII) og (XXVIII) opnås følgende resultat for anlægget, hvor kun svømmebassinet og tanken indgår: Sammenfatning Investeringsomkostninger i alt Dkr Besparelse i investering i forhold til oprindeligt Dkr system (inkl. alle bassiner) Drift og vedligeholdelsesomkostninger i alt 5546 Dkr/år Årlig besparelse Dkr Årlig nettobesparelse Dkr Tilbagebetalingstid 14,2 år Rentabilitetsfaktor 2,86 Energisparepris 0,284 Dkr/kWh Pris for fjernvarme 0,647 Dkr/kWh Overskud per sparet kwh 0,364 Dkr/kWh Årlig besparelse beregnet ud fra CSE Dkr Total besparelse på 30 år beregnet ud fra CSE Dkr Tabel 67 - Sammenfatning af økonomiske resultater ved opførelse af solvarmeanlæg til Øbrohallen med den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex. Som det fremgår af Tabel 67, er det økonomisk fordelagtigt, at vælge et anlæg uden tilknytning af de fire varmeste bassiner. Tilbagebetalingstiden er her nede i 14,2 år, hvilket er overraskende lidt set i lyset af, at den eksisterende energikilde er fjernvarme, som er en billig energikilde. Tilbagebetalingstiden ligger således et pænt stykke under anlæggets levetid, og samtidig er den også lavere, end tilbagebetalingstiden for anlægget med alle bassinerne inkluderet. Rentabilitetsfaktoren ligger på 2,86 og anlægget kan regnes for økonomisk rentabelt ud fra denne betragtning også. Rentabilitetsfaktoren for det fulde anlæg lå på 2,29, og således er anlægget ud fra denne betragtning også at foretrække uden de fire varmeste bassiner. Endelig er der energispareprisen, som ligger på 0,284 Dkr/kWh. Dermed ligger den væsentligt under energiprisen på 0,647 Dkr/kWh og anlægget må anses for meget lønsomt. Igen viser denne model også, at anlægget bør udformes uden inkludering af de fire varmeste bassiner ud fra en økonomisk betragtning. Således må det klart anbefales, at anlægget udformes i en simpel version, hvor kun svømmebassinet og varmtvandstanken inddrages. 186

188 21. Sammenfatning og diskussion I det følgende vil det blive belyst, hvilke åbenlyse fordele og ulemper, der på baggrund af analysen i denne rapport, er forbundet med et solvarmeanlæg til en svømmehal som Øbrohallen. Det er fundet, at et solvarmeanlæg til en svømmehal som Øbrohallen kan opnå en rigtig høj ydelse, idet der hovedsagligt arbejdes ved lave temperaturniveauer. Desuden kan solvarmen overføres trinvist ved forskellige temperaturniveauer. Således kan solvarmen overføres først til det varmeste bassin, og derefter trinvist i de øvrige bassiner, for til slut at blive overført det koldeste sted, som vil være i tanken. Således opnås en optimal afkøling af solvarmevæsken, hvilket betyder, at der opnås en rigtig god ydelse af solvarmeanlægget. Fordelen ved at kunne overføre solvarmen trinvist kommer især til sin ret, hvis energibehovet det koldeste sted er småt i forhold til solvarmeanlæggets ydelse. I Øbrohallen er dette imidlertid ikke tilfældet, og fordelen heraf kommer derfor ikke for alvor til sin ret. Dog er det en fordel, at solvarmevæsken ofte gennemløber svømmebassinets varmeveksler, inden den løber til tanken, da det er begrænset, hvor meget solenergi der kan overføres til tanken. Således drages der altså alligevel en vis fordel af den trinvise varmeoverføring, om end overføringen i de fire varmeste bassiner kan anses for at være unødvendig. På baggrund af dette bør de fire varmeste bassiner ikke inddrages i solvarmeanlægget, da investeringsomkostningerne herved stiger betragteligt. Bruttoydelsen for et solvarmeanlæg, som udelukkende er tilknyttet svømmebassinet og tanken, med den plane solfanger, Winkler Variosol A-antireflex, er for et bruttosolfangerarealareal på 245 m 2 fundet til kwh, svarende til en ydelse på 669 kwh/m 2 /år. Dette må siges at være en rigtig god ydelse for et anlæg, som oven i købet ikke er orienteret direkte mod syd. Den totale mængde solstråling på solfangerens transparente areal er på årsbasis kwh, og deraf overføres altså kwh til solfangervæsken. Således opnås en udnyttelse af solstrålingen på det transparente areal på 63,8% per år, hvilket må siges at være ganske godt. Hovedårsagen til den gode udnyttelse må ses i lyset af, at solvarmeanlægget generelt virker ved lave temperaturer, hvorved der opnås en optimal udnyttelse af solenergien. Solvarmeanlægget fungerer således hele året rundt som et supplement til fjernvarmen. Hermed kan der året rundt køres på lave temperaturer. Dette er i modsætning til mange øvrige solvarmeanlæg, hvor man i sommerperioderne ønsker en så stor som mulig del af varmtvandsforbruget klaret ved hjælp af ren solvarme. Dette kræver højere temperaturer og dermed opnås en dårligere ydelse af solvarmeanlægget. De åbenlyse fordele ved et solvarmeanlæg til en svømmehal som Øbrohallen kan således ridses op til følgende: En høj ydelse af solvarmeanlægget kan opnås, da der kan køres ved lave temperaturniveauer, idet der året rundt forsynes med supplerende opvarmning. Energiforbruget til opvarmning af bassiner og brugsvand er meget højt i en svømmehal, hvilket giver god basis for udnyttelse af solenergi. Der er mulighed for trinvis afkøling af solfangervæsken, hvilket giver en god afkøling med en høj ydelse til følge. 187

189 Foruden disse fordele er der imidlertid også en række ulemper forbundet med et solvarmeanlæg til en svømmehal. Som det fremgår af afsnit 18 stiger priserne på varmevekslerne enormt, når der er tale om varmevekslere til en svømmehal, hvor der altså er at gøre med klorholdigt vand. Herved opstår der større krav til solvarmeanlæggets ydelse, såfremt investeringen skal være rentabel. I Øbrohallens tilfælde er det ikke fordelagtigt at inddrage de fire varmeste bassiner i solvarmeanlægget. I tilfælde af, at forskellen mellem solfangernes ydelse og energibehovet for svømmebassinet og tanken var mindre, kunne der muligvis drages fordel af, først at aflevere en del af energien i de varmere bassiner. Dette kræver dog yderligere analyser og de høje priser på varmevekslerne grundet det klorholdige vand mindsker sandsynligheden for dette. Foruden dette, kan det også anses som en ulempe, at Øbrohallen opvarmes med fjernvarme, som er en billig energikilde. Således bliver det sværere at tjene investeringen for solvarmeanlægget hjem, og derved sættes der høje krav til solvarmeanlæggets ydelse. Ulemperne ved at installerer et solvarmeanlæg til en svømmehal som Øbrohallen kan således sammenfattes til følgende: Klorholdigt vand sætter særlige krav til komponenterne, og hvis en lang levetid ønskes stiger prisen på især varmevekslerne enormt. De høje priser på varmevekslere mindsker fordelen ved muligheden for at overføre solvarmen trinvist ved forskellige temperaturniveauer. Den eksisterende varmekilde, fjernvarme, er billig og forlænger dermed tilbagebetalingstiden på solvarmeanlægget. På trods af disse ulemper viser det sig imidlertid stadig at være rentabelt over en 30-årig periode at installere et solvarmeanlæg i Øbrohallen. Dog vil det ikke her være en fordel at medtage de varme bassiner, da de øgede udgifter herved som sagt ikke står mål med gevinsten i energi. Dog må det konkluderes, at der er store muligheder ved at installere et solvarmeanlæg til en svømmehal, da energibehovet her vil være stort og nærmest konstant året rundt. Især i tilfælde, hvor opvarmningen i forvejen er klaret ved energikilder, som er dyrere end fjernvarme, vil det kunne betale sig at installere et solvarmeanlæg. Det er i denne rapport påvist, at det ikke kan betale sig at medtage de varmere bassiner i solvarmeanlægget. Det vil dog være interessant at undersøge, om det kunne være en fordel at medtage dem, såfremt et større areal var til rådighed til placering af solfangerne. Således ville forskellen i solvarmeanlæggets ydelse og energibehovet for tanken og svømmebassinet mindskes, og der kunne, især i perioder med meget høj solenergiproduktion, drages fordel af, at en del af energien kunne afleveres i de varmere bassiner inden svømmebassinet og tanken. Samtidig ville det være interessant at se, om solvarmeanlæggets tilbagebetalingstid kunne reduceres yderligere herved. Videre undersøgelser foretages imidlertid ikke i denne rapport. Konklusionen må imidlertid være, at fordelene ved at tilknytte et solvarmeanlæg til en svømmehal klart opvejer ulemperne. 188

190 22. Konklusion En lang række solfangere er vurderet og analyseret i forbindelse med et solvarmeanlæg til svømmebadet, Øbrohallen. Såvel plane solfangere som vakuumrørsolfangere er blevet analyseret. Foruden de enkelte solfangere er der foretaget analyse af tre forskellige måder at styre solvarmeanlægget på. Dette er gjort, da det har været hensigten, at opvarmningen med solvarme skal kunne foregå således, at Øbrohallens fem bassiner samt varmtvandstank, alle skal kunne modtage et bidrag fra solvarmen. Det formodes således, at selve styringen af solvarmeanlægget er af afgørende betydning for den samlede ydelse. De tre styringsmetoder er alle blevet implementeret i simuleringsprogrammet, Polysun, som er benyttet til at foretage beregningerne af solfangernes årlige ydelser. De tre styringsmetoder er sammenlignet med henholdsvis en vakuumrørsolfanger, en plan solfanger med dæklag samt en plan solfanger uden dæklag. I alle tilfælde er en typisk solfanger fra hver kategori udvalgt, som på baggrund af de indledende analyser er vurderet til at være repræsentativ inden for sin kategori. På baggrund af beregningerne i Polysun er den optimale styringsstrategi således udvalgt for hver kategori. Styringsstrategi 2 viser sig at være optimal for alle tre kategorier af solfangere. Beregningerne viser, at den solfanger, der giver den bedste ydelse, er den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex, som giver en årlig nettoydelse på kwh. Årsagen til dette skal findes i, at det transparente areal for de plane solfangere generelt udgør en større andel af solfangerens bruttoareal, end tilfældet er for vakuumrørsolfangerne. Dette viser sig at være den afgørende faktor for, at denne solfanger opnår den højeste ydelse, da flere af vakuumrørsolfangerne rent faktisk opnår en større ydelse målt per transparent solfangerareal. Da et begrænset tagareal på 300 m 2 er til rådighed til placering af solfangerne, viser det sig altså at være en afgørende faktor, hvor stor en andel af solfangerne, der udgøres af transparent areal. Winkler Variosol A-antireflex har imidlertid ikke det største transparente areal i forhold til bruttoarealet, i sammenligning med de øvrige plane solfangere. Kombinationen af en høj effektivitet og et stort transparent areal gør dog, at denne solfanger opnår den højeste ydelse af alle undersøgte solfangere. Den bedste vakuumrørsolfanger er solfangeren med navnet RZ Solartechnik DF 120-6, som opnår en årlig nettoydelse, der er godt kwh mindre, end nettoydelsen med solfangeren Winkler Variosol A-antireflex. Der er desuden foretaget en parameteranalyse på solvarmeanlægget med henholdsvis den plane solfanger Winkler Variosol A-antireflex og vakuumrørsolfangeren RZ Solartechnik DF 120-6, med det formål at optimere de to systemer. Efter optimeringen er diverse komponenter som pumpestørrelser og størrelser på varmevekslere dimensioneret til solvarmeanlæggene. En økonomisk analyse er foretaget på de to solvarmeanlæg. Det har været uvist, hvorvidt vakumrørsolfangere kan fås til en billigere penge end plane solfangere, og således er den økonomiske analyse foretaget på såvel den bedste vakuumrørsolfanger, RZ Solartechnik DF 120-6, som den bedste 189

191 plane solfanger, Winkler Variosol A-antireflex. Det viser sig imidlertid, at prisen på vakuumrørsolfangeren er højere end prisen på den plane solfanger, og således kan det konkluderes, at den plane solfanger er at foretrække, da nettoydelsen her samtidig er størst. Det er fundet, at der er ekstra store omkostninger forbundet med et solvarmeanlæg til en svømmehal i sammenligning med traditionelle anlæg. Det klorholdige vand mindsker således varmevekslernes levetid betragteligt, og derfor må der vælges nogle varmevekslere af en ekstrem høj kvalitet, med en ekstrem høj pris til følge. På baggrund af de dyre priser på især varmevekslerne er det undersøgt, hvorvidt de fire varmeste bassiner i Øbrohallen kan tages ud af anlægget, uden det påvirker ydelsen betragteligt. Det viser sig, at den samlede nettoydelse herved kun forringes med knap 2000 kwh/år, og det kan således konkluderes, at ekstraomkostningerne til varmevekslere, trevejsventiler og pumper ved at medtage de fire varmeste bassiner, på ingen måde retfærdiggøres af den mængde energi, der kan spares herved. Således er foretaget endnu en økonomisk analyse på solvarmeanlægget med den plane solfanger, Winkler Variosol A-antireflex, hvor kun svømmebassinet og varmtvandstanken er medtaget i anlægget. Det viser sig, at anlæggets økonomiske rentabilitet herved forbedres yderligere. Ydelsen for et solvarmeanlæg viser sig at være yderst høj i tilknytning til en svømmehal. Dog bør der som udgangspunkt fokuseres på at begrænse inddragelsen af antallet af bassiner, da prisen på varmevekslere er ekstrem høj, når der er tale om klorholdigt vand. Således må det slutteligt konkluderes, at der med solvarmeanlæg i tilknytning til svømmehaller kan opnås overraskende høje ydelser, da der året rundt vil være et stort energibehov kombineret med muligheden for at køre ved lave temperaturniveauer. Især ud fra energimæssige betragtninger, må et solvarmeanlæg til en svømmehal i Danmark anses for at være et godt tiltag, men også ud fra en økonomisk betragtning viser anlægget at kunne tjene sig hjem inden for en rimelig periode. Altså må et solvarmeanlæg anses for at være en rigtig god opvarmningskilde til en svømmehal, hvor der opnås en rigtig høj ydelse i sammenligning med mere traditionelle anlæg. 190

192 Referencer [1] [2] Morrison,G.L., Solar Collectors, Educational Notes 2009 Course [3] Fan, J., Solar Collector Theory and Efficiency, Slides Lecture Course [4] Furbo, S., Undervisningsnotat: Vakuumrørsolfangere Fremtidens solfangere?. [5] DS 477. [6] Fossum, H.S. & Bisted, O. 1992/32, Energiteknik I svømmehaller. [7] Polysun usermanual Swimming pool og Tank model and relative dimensions [8] Asdrubali, F.2009, A scale model to evaluate water evaporation from indoor swimming pools, Energy and Buildings, vol. 41, pp [9] Jensen, H.T., System for domestic hot water surfaces Uddrag af undervisningsnotat BYG.DTU issn [10] Tiwari, G.N., Gupta, S.P., Lawrence, S.A., Yadav, Y.P. & Sharma, S.B. 1988, Transient performance of indoor swimming pool heating by solar energy. [11] lecture slide course lecture no. 20 Elsa Andersen Large solar heating systems-lecture note F2009- a.pdf [12] Petersen, B.H., Elementære rørstrømninger Undervisningsnotat BYG.DTU issn [13] [14] Elpriser fra Dong Energy : elser/pages/distributionafelogafgifter.aspx [15] Nielsen, C., Nielsen, J. Planning of a large solar domestic hot water system Assignment 2, 2009 [16] Fjernvarmepriser fra Københavns energi: [17] Medved,S., Arkar,C., Cerne,B., 2003 A large-panel unglazed roof-integrated liquid solar collector energy and economic evaluation [18] [19] Tommerup,H. & Svendsen, S. 2008, Forslag til nye energikrav til eksisterende bygningers klimaskærm 191

193 Nomenklatur Symbol Betegnelse Enhhed η Solfanger effektivitet [-] η 0 Solfangers starteffektivitet [-] a 1 Varmetabskoefficient for solfanger [W/(m 2 K)] a 2 Varmetabskoefficient for solfanger [W/(m 2 K)] T m Gennemsnitlig temperatur i solfangervæske [K] T a Udeluftstemperatur [K] G Solbestrålingsstyrke [W/m 2 ] K θ Indfaldsvinkelkorrektionsfaktor [-] K t Tværgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor [-] K l Langsgående indfaldsvinkelkorrektionsfaktor [-] Θ t Tværgående indfaldsvinkel [ ] Θ l Langsgående indfaldsvinkel [ ] Q solv Energi tilført via solvarme [W] Q supp Supplerende energi tilført poolen (eksempelvis fra fjernvarme) [W] Q ford Fordampningstab fra poolen [W] Q konv Energitilførsel/tab mellem pool og luft [W] Q ledn Energitilførsel/tab gennem bund og sider af pool [W] Q spæd Energitab grundet spædevandstilførsel [W] Q strål Energioverførsel til omgivelser via stråling [W] Q cirk Varmetab i cirkulatoinsrør [W] E Fordampningstab [?] N Antal personer i pool [-] ΔP Forskel i damptryk og mæthedstryk [Pa] U Varmetabskoefficient [W/(m 2 K)] A vægge Areal af poolens indre overflader (bund + vægge) [m 2 ] T pool Poolens vandtemperatur [K] T jord Temperaturen i de lag der omgiver poolens bund og sider [K] A oveflade Poolens overfladeareal [m 2 ] c 0 Atmosfærisk tryk, 1, [Pa] c 1 Konstant, 42,39 [m/s] c 2 Konstant, 56,52 [ v vind Vindhastighed (0 for indendørs pools) [m/s] k 0 +k 1 T pool +k 2 T 2 pool+k 3 T 3 pool [atm] k 0 +k 1 T omg +k 2 T 2 omg+k 3 T 3 omg [atm] k 0 4, [atm] k 1 7, [atm/k] k 2-3, [atm/k 2 ] k 3 7, [atm/k 3 ] Relativ luftfugtighed [kg/kg] Emissivitet, 0,9 [-] σ Stefan Boltzman konstant, 5, [Js -1 m -2 K -4 ] T sky Temperatur af omgivende overflader (for indendørs pools) [K] b 1 Varmeoverføring, ingen vind, 3,1 [W/(m 2 K)] 192

194 b 2 Korrektionsterm ved endelig vindhastighed, 4,1 [Ws/(mK)] η dug Procentdel af poolens overflade som er overdækket [-] U dug Varmetabskoefficient for dug [W/(m 2 K)] Friskvandstilførsel [l/t] d Vanddensitet, 1,0 [kg/l] c Vands specifikke varmekapacitet, 1,16 [Wt/(kgK)] T spæd Temperaturen af spædevandet [K] T varmt Varmtvandstemperatur [ ] T koldt Koldtvandstemperatur [ ] U l Varmetabskoefficient cirkulationsrør [W/(mK)] λ r Varmeledningsevne, rør [W/(mK)] λ i Varmeledningsevne, isolereing [W/(mK)] d u Ydre rørdiameter [m] d i Indre rørdiameter [m] d 2 Ydre diameter af rørisolereing [m] 2 Ydre overflades varmeledningsevne [W/(m 2 K)] T Temperatur af vand i cirkulationsrør (gennemsnit) [K] T e Omgivelsestemperatur [K] L Længden af cirkulationsrør [m] c v Vands specifikke varmekapacitet, 4200 [J/(kgK)] q Volumenstrøm i cirkulationsrør [l/s] ΔT Køling i cirkulationsrør (fra punkt 1 til punkt 2) [K, ] T 1 Temperatur i cirkulationsrør i punkt 1 [K] q v Volumenstrøm i rør [m 3 /s] v Densitet af væske [kg/m 3 ] V p Voulmen af pool [m 3 ] Δt Tidsforskel [s] T n Temperatur til tidsstep T n, n= 1,2,3. [K] UA varmeveksler Varmeveksler kapacitet [W/K] P kedel Kedel effekt [W] V kedelsløjfe Væskevolumen i kedelsløjfe [l] A spiral Overfladeareal varmespiral [m 2 ] v Hastighed i rør [m/s] A rør Areal af rørets snitflade [m 2 ] c drift Drifts og vedligeholdelsesomkostninger [Dkr/år] C Samlet investeringsomkostning for systemet [Dkr] d Årlig besparelse ved den udnyttede solenergi [Dkr/år] i Inflation [-] r Rente [-] ΔP F Friktionstab [Pa] λ friktion Friktionskoefficient [-] K Ruhed [m] Re Reynolds tal [-] ν viskositet [m 2 /s] ΔP p Samlet tryktab i rørstrækning [Pa] ΔP k Enkelttab i kontraventil [Pa] n t Teknisk levetid [år] n Økonomisk levetid, periode for afskrivning af lån [år] 193

195 a(n,r r) Annuitesfaktor [-] ΔE årlig Årlig energibesparelse (nettoydelse) [kwh/år] CSE Energisparepris [Dkr/kWh] r r Realrenten [-] e Realudviklingen i energiudgifterne [-] 194