A. Detailprojektering af solfangeranlæg

Transkript

1 A. Detailprojektering af solfangeranlæg I dette afsnit bestemmes den endelige placering af solfangerne, hvorefter solfangeranlægget detailprojekteres. Detailprojekteringen indebærer detaildimensionering af den endelige solfangerkreds herunder dimensionering af varmtvandsbeholder, vekslerspiral, pumpe og ekspansionsbeholder. A.1 Vurdering af skyggeforhold I forbindelse med dimensioneringen af solfangeranlægget er det vigtigt at undersøge skyggeforholdene mellem de enkelte solfangere. I afsnit P. blev der anvendt 10 stk. solfangere, der placeres med en vinkel på 45 i forhold til tagfladen. For beskrivelse og begrundelse af den valgte placering, henvises til afsnit P.. I dette afsnit undersøges det nærmere, om den valgte placering bør ændres således, at der til dels undgås skyggevirkning solfangerne imellem. Soldiagrammer viser sammenhængen mellem værdier af solens højde, α s og azimut vinkel, γ s. Soldiagrammerne fremstilles med solens azimut som abscisse og solhøjden som ordinat. Herved fremkommer kurver, der udtrykker solens tilsyneladende stilling på himlen. På Figur A.1 er der vist et soldiagram for Aalborg. Kurverne er optegnet for dage, der repræsenterer måneder i året. De tre dage er valgt således, at solens placering gennem året anses for beskrevet. Der er valgt en dag i marts, juni og december. Figur A.1: Soldiagram over solens tilsyneladende position i Aalborg. 1

2 I figur P. er solfangernes placering i forhold til hinanden vist. Det er anatget at bygningen og dermed solfangerne placeres stik syd. Soldiagrammer for årets 1 måneder opstilles, ved at lade den 1. i hver måned repræsentere måneden, og herudfra finde solhøjden. Ved en azimutvinkel på 0 er der fundet en middelværdi for solhøjden gennem året. Det er valgt kun at undersøge situationen med azimutvinklen 0, idet solintensiteten her er størst. Det antages herefter at vinklen, V s, jf. Figur A., skal være mindre en denne vinkel for at sikre, at der ikke kommer betydelig skyggevirkning solfangerne imellem. N V s l nødv Figur A.: Placering af solfangere i forhold til hinanden samt angivelse af skyggevinkel. Den gennemsnitlige solhøjde over året, α s,år, er fundet til: α s,år For at opnå en vinkel, V s, på denne værdi bliver den nødvendige afstand, l nødv, mellem solfangerne følgende: l nødv 840 mm Ved skitseprojektering blev denne længde sat til 400 mm. Ved at ændre længden til 840 mm, men samtidig udnytte tagets areal bedre end i skitseprojektet, reduceres solfangerantallet ikke. Det konkluderes således, at det under skitseprojektering fundne solfangerareal hverken kan forøges eller formindskes med henblik på forøgelse af udbyttet. På tegning I.1 ses den endelige placering af solfangerne. Ved anvendelse af den angivne længde vil der en del af året forekomme skyggevirkning på solfangerne, jf. Figur A.. Denne skyggevirkning forekommer dog i de måneder, hvor indstrålingsintensiteten og dermed udnyttelsen af solfangerne er mindst. Et strengere krav kunne være at benytte solhøjden i en af vintermånederne, hvorved skyggevirkningen vil blive minimal, men solfangerantallet ville dermed blive reduceret da l nødv øges.

3 A. Endelig solfangerkreds I dette afsnit bestemmes den endelige ledningslængde for solfangerkredsen ud fra den i afsnit A.1 fastlagte placering af solfangerne. Solkredsen isoleres således, at varmetabet fra kredsen reduceres. De fundne værdier anvendes i stedet for de værdier der blev anvendt i skitseprojektering. Ud fra væskestrømmen gennem solfangerne og ledningslængden fastlægges tryktabet gennem solfangerkredsen. Dette gøres med henblik på at dimensionere pumpen og ekspansionsbeholderen til solfangerkredsen. A..1 Udformning af solfangerkreds Solfangerne sammenkobles som vist på Figur A.. Såvel den interne som eksterne sammenkobling af solfangerne foretages som parallelkobling, hvorved der opnås den største udnyttelse af hver enkelt solfanger. Fremløb Returløb Figur A.: Sammenkobling af solfangere i solfangerkreds. Ud fra tegning I.1 ses det, at solfangerne er placeret på hver sin side af ventilationskanalen både i den sydlige og nordlige del af byggeriet. Det vælges derfor at anvende fire kredse på taget, som kobles sammen i hovedskakten i bygningen, og derefter føres videre til varmtvandsbeholderen. Solkredsen udføres med vendt retur. Til bestemmelse af tryktabene over de enkelte rørstrækninger er opstillet et regneark, solkreds.xls som findes på vedlagte CD-rom. Ved fastlæggelse af rørlængderne er det antaget, at fremløb og returløb har samme længde, selvom dette ikke helt stemmer med den endelige rørføring. For detaljer vedrørende placering af samtlige solfangere og udformning af hele solkredsen henvises til tegning I.1. Den samlede rørlængde til solfangeren findes til (fremløb): l frem, solkreds 18,8 m 0 m

4 Den samlede rørlængde fra solfangerne bestemmes til (returløb): l retur, solkreds 18,8 m 0 m Dermed ses det, at den i kapitel P bestemte længde er undervurderet. A.. Isolering mod energitab For at minimere varmetabet fra solkredsen, således at der opnås det størst mulige udbytte fra solfangerne, isoleres rørene efter DS 45, Norm for termisk isolering af tekniske installationer. For beskivelse af beregningsgangen henvises til afsnit N Under skitseprojektering er den maksimale lagertemperatur og den maksimale temperatur i solfangeren fastlagt til følgende: Maksimal temperatur i beholder: 94, C Maksimal temperatur i solfanger: 9,7 C Ved fastlæggelse af driftsparameteren antages mediets middeltemperatur, t i, at være 94 C og omgivelsernes middeltemperatur, t e, at være 0 C. Driftsparameteren for systemet fastlægges: D 1 (94 C 0 C) 600 s h 4 h døgn 65 døgn år, C s år Denne driftsparameter medfører at varmtvandsinstallationerne isoleres efter isoleringsklasse 4, med en maksimal varmetransmissionskoefficient, U r, på følgende: Ur 1,1 d u + 0, 14 På solkredsen anvendes der rør med dimensionerne 1 mm, mm og 5 mm. Anvendelsen af dimensionerne ses i beregningsprogrammet solkreds.xls. Den maksimale varmetransmissionskoefficient, som isoleringen medfører bliver følgende: Ved udvendig rørdiameter på 1 mm: Ur 0, 15 m K Ved udvendig rørdiameter på mm: Ur 0, 164 m K Ved udvendig rørdiameter på 5 mm: Ur 0, 179 m K Den udvendige isoleringstykkelse bestemmes til følgende i isoleringsklasse 4, når der anvendes isolering med en varmeledningsevne på 0,04 /(m K) [V & A Ståbi, s. 44]: Nødvendig isoleringstykkelse ved 1 mm: 0, mm 1 mm Nødvendig isoleringstykkelse ved mm: 5,4 mm 6 mm Nødvendig isoleringstykkelse ved 5 mm: 49,5 mm 50 mm 4

5 Ved anvendelse af simuleringsprogrammet Kviksol, foreligger der kun mulighed for indtastning af én rørdimension og én isoleringstykkelse. De fastlagte rørdimensioner og isoleringstykkelser vægtes derfor længden af den pågældende strækning i forhold til den totale længde, hvorefter der findes en middelværdi, der anses for repræsentativ, og som derfor anvendes ved simuleringen i Kviksol. Længde af strækning af de enkelte rørstrækninger findes til: 1 mm: 65,m mm: 04 m 5 mm: 68,4 m Den vægtede rørdiameter findes til: d, middel 65, m 1 mm + 04 m mm + 68,4 m 5mm 65, m + 04 m + 68,4 m u 19,4 mm Den vægtede isoleringstykkelse findes til: d 65, m 0, mm + 04 m 5,4 mm + 68,4 m 49,5 mm 65, m + 04 m+ 68,4 m iso, middel A.. Dimensionering af varmtvandsbeholder 0,59 mm I afsnit P.6.4 blev det fastlagt, at det endelige volumen af beholderen er 7,54 m. I dette beholdervolumen svarer soldelsvolumen til 6, m. I dette afsnit fastlægges beholderens endelige udformning og varmetab. Ved beholderstørrelser over m udføres beholderen oftest med en højde, h, der svarer til diameteren [MST, lektion 9, s.7]. Dette forsøges overholdt ved dimensioneringen af beholderen. Rumhøjden i teknikrummet på, m sætter dog en øvre grænse for højden, da der skal være plads til rørindføring i top og bund. Den maksimal højde af beholderen vurderes til,60 m. Beholderen udføres som en cylinderbeholder med hvælvet top og bund. Beholderens højde uden hensyntagen til hvælvingerne sættes til,1 m og dermed fås beholdervolumenet, forudsat at højden er lig med den indvendige diameter: d i,1m V p h p,1m 7,7m Det resterende volumen der skal være i de to hvælvinger er: V hvælv 7,54 m 7,7 m 0,7 m 5

6 Dette volumen skal deles på top- og bundhvælvingen der antages at udgøre en kuglekalot, jf. Figur A.4. h a Figur A.4: Kuglekalot Volumen af kuglekalotten bestemmes ved følgende udtryk [V & A Ståbi, s.5]: p h V ( a 6 + h ) Da det ønskede volumen er kendt findes højden af kuglekalotten således: h + a 6 V h p h,1m + 0,7m 6 h p h 0,077 m Suppleringsdelens volumen, svarende til volumenet over laveste punkt, er 1,4 m. Volumenet uden hensyntagen til kuglekalotten er: 0,7 m V 1,4m 1,1m Dette volumen svarer til højden, jf. Figur A.5: 4 V 4 1,1m 0,5m d p (,1m) p h i Volumen under højeste punkt, jf. afsnit P.6.5, er,1 m. Udover kuglekalottens højde optager dette volumen højden, jf. Figur A.5: 0,7 4 (,1 )m 4 V d p (,1 m) p h i 0,856 m Beholderens indre udformning bliver dermed som vist på Figur A.5. 6

7 V1,4 m³ 50 V,1 m³ V,1 m³ Figur A.5: Varmtvandsbeholderens indre udformning. Mål i mm. Varmtvandsbeholderens minimale godstykkelse, S min, bestemmes af følgende udtryk [U-00, s.1]: 0,11 d y k p 0,11 (d i + Smin ) k p Smin Hvor: k Forholdet mellem elasticitetsmodulet for stål ved 0 C og maksimaltemperaturen [-] p Beholderens designtryk [bar] Designtrykket, p, sættes til 16 bar [U-00, s.1]. Forholdet mellem elasticitetsmodulet for stålet sættes til 1, da det antages at beholderens temperatur ikke overstiger 100 C [DS 41, s.9]. Den minimale godstykkelse bestemmes til: 0,11 (100 mm + Smin ) 1 16 bar Smin Smin 9, mm 100 Godstykkelsen sættes i det følgende til 10 mm. Beholderens samlede varmetabskoefficient, UA beholder, korrigeret for temperaturgradient, findes af følgende, idet der ses bort fra den indvendige varmemodstand [MST, lektion 9, s. 8]: Hvor: UA side UA top T UA + T t k beholder UA side + UA top UA bund (A.1) Tm Tm Varmetabskoefficient for beholdersider [/ C] Varmetabskoefficient for beholdertop [/ C] 7

8 UA bund T t T k Varmetabskoefficient for beholderbund [/ C] Setpunktstemperatur for tilskudsenergi [ C] Koldtvandstemperatur [ C] T m Middeltemperatur T t + T K [ C] Varmetabskoefficienten for beholderens sider bestemmes af følgende udtryk [U-00, s. 19]: UA side 1 d ln? y p h + e 0,1 + d y d y + e Hvor: λ Isoleringens varmeledningsevne 0,04 /m K e Isoleringens tykkelse [m] Isoleringens tykkelse på beholderens sider sættes til 0, m. Dermed fås følgende varmetabskoefficient: p,1m UA 1,1m + 0, m 0,1 ln + 0,04,1m,1m + 0,m m K side,98 K Varmetabskoefficienten for beholderens top og bund bestemmes af følgende udtryk [U-00, s. 19]: UA top, bund p (d y + e) 4 e + 0,1? Når der anvendes 0,0 m isolering i toppen og 0,10 m i bunden, fås følgende værdier for varmetabskoefficienten: UA UA top bund 0,8 1,47 K K Beholderens samlede varmetabskoefficient er dermed, jf. formel (A.1): 55,5 C 10 C UA,75 C,75 C beholder,98 + 0,8 + 1,47 4, 8 C C C C 8

9 Der tillægges et tab forårsaget af kuldebroer, jf. afsnit P.4.4: 1/ KB 0,0 (4 + 1) (7540 l) 8,68 K Lagerets varmetabskoefficient under stilstand bliver: UA stilstand 4,8 + 8,68 1, 50 K K K Lagerets varmetabskoefficient under drift: UA 1/ drift 1,50 + 0, , 7 K Ved den videre dimensionering er der anvendt en større varmetabskoefficient end de beregnede, dette skyldes en ændring sent i projektperioden, hvorved der ikke var resourcer til at ændre de resterende beregninger. Indflydelsen er dog undersøgt i Kviksol, og det konkluderes at anvendelsen af de korrekte værdier, vil medføre en minimal ændring i den leverede energi. De anvendte værdier er som følger: Lagerets varmetabskoefficient under stilstand bliver: UA stilstand 16, 66 K Lagerets varmetabskoefficient under drift: UA drift 17, 5 K A..4 Dimensionering af vekslerspiral Varmeoverføringsevnen, H, for solfangerspiralen er hidtil blot beregnet ud fra skønsværdierne, jf. afsnit P.4. Derfor beregnes en mere præcis værdi af varmeoverføringsevnen vha. beregningsprogrammet Vekslerspiral, der bygger på teorien angivet i [U-00, s.-6]. Programmet kræver, at den geometriske udformning af spiralen, samt væskestrømmen og rørtypen er kendt. Det undersøges, hvor stor indflydelse spirallængden og væskestrømmen har på varmeoverføringsevnen ved forskellige rørdiametre. Ved undersøgelse af spirallængdens betydning forudsættes det, at der anvendes stålrør med varmeledningstal Stålrør med følgende diametre er anvendt: Type 1: Stålrør med d u 18 mm og d i 16 mm. Type : Stålrør med d u mm og d i 19,6 mm. Type : Stålrør med d u 8 mm og d i 5,6 mm.? stål 60 m C. 9

10 Varmeoverføringsevnen som funktion af spirallængden er vist på Figur A.6. Væskestrømmen er ved undersøgelsen af spirallængdens betydning fastholdt til 150 l/min, og varmeoverføringsevnen er beregnet ved lagertemperaturen T L 10 C. Varmeoverføringsevne [/ C] Type Type Type Spirallængde [m] Figur A.6: Varmeoverføringsevne som funktion af spirallængde. Som det ses af Figur A.6, stiger varmeoverføringsevnen lineært med øget spirallængde. Varmeoverføringsevnen som funktion af væskestrømmen er vist på Figur A.7. Spirallængden er fastholdt på 00 m og varmeoverføringsevnen er beregnet ved lagertemperaturen T L 10 C. Varmeoverføringsevne [/ C] Væskestrøm [l/min] Type 1 Type Type Figur A.7: Varmeoverføringsevne som funktion af væskestrøm. Ud fra Figur A.7 ses det, at varmeoverføringsevnen stiger jævnt med øget væskestrøm i spiralen. Dog ses det, at stigningen flader ud, jo højere væskestrømmen bliver. Dette kan hænge sammen med at ændringen i middeltemperaturdifferensen, t m, bliver mindre og mindre jo højere væskestrømmen bliver. Der kan altså ikke betale sig at øge væskestrømmen ubegrænset, da virkningen er minimal. 10

11 I afsnit Q.1 og afsnit P.4 blev det henholdsvis fastlagt, at der på taget er plads til 10 solfangere med et samlet areal, A c, på 08,06 m og at væskeflovet gennem solfangerne er 1, l/min m. Væskestrømmen, V s, gennem vekslerspiralen er dermed: V l s 08,6 m 1, 49, 7 min m l min Det vælges at placere fire vekslerspiraler i beholderen. Disse fire spiraler placeres, som skitseret på Figur A Figur A.8: Skitse af de fire spiralers placering i beholderen. Spiralernes udvendige diameter sættes til 840 mm, jf. Figur A.8. Højden af vekslerspiralerne kan maksimalt være 856 mm, jf. afsnit A... Det betyder, at det antal viklinger, der er plads til i hver spiral, afhænger af spiralens rørdimension samt af afstanden mellem spiralens viklinger. I Tabel A.1 ses det maksimale antal viklinger, samt den maksimale samlede spirallængde ved spiralrørets centerlinie, for hver af de tre rørdimensioner. Det antages, at afstanden mellem viklingerne i spiralerne er 10 mm. Tabel A.1: Den samlede spirallængde for de tre rørdimensioner. Udvendig rørdiameter, d u, [mm] Antal viklinger Spiral højde [m] Samlet spirallængde [m] ,856 0, 7 0,854 77,5 8 0,86 4,5 Beregningseksempel: Rørdiameter: d u 0,0 m Spiral radius: 0,40 m Antal spiraler: 4 Antal vindinger: 7 Afstand mellem vindinger: 0,01 m 11

12 Højden, H, af vekslerspiralen: ( 7 1) 0,854m H 0,0 m 7 + 0,01m Den samlede længde, L, af spiralrørene, ved spiralrørenes centerlinier: ( 0,40m 0,0 m 0,5) π ,5 m L Da både rørdimension og spirallængde har betydning for vekslerspiralernes samlede varmeoverføringsevne, undersøges varmeoverføringsevnen ved de tre rørdimensioner ved hjælp af beregningsprogrammet Vekslerspiral. I Tabel A. ses varmeoverføringsevnen for vekslerspiralerne ved temperaturen T L 10 C. Tabel A.: Spiralvekslernes varmeoverføringsevne for de tre rørdimensioner, når T L 10 C. Udvendig rørdiameter, d u, [mm] K1 K Varmeoverføringsevnen [/K] ,6 4,8 5058,6 759, 44,6 505, 8 78,7 4,7 5165,7 Da det laveste tryktab er i røret med en diameter på 8 mm, vælges det at anvende en varmeveksler bestående af fire vekslerspiraler med en udvendig rørdiameter 8 mm og en samlet spirallængde på 4,5 m. I Kviksol anvendes derfor følgende værdier, jf. Tabel A.: K1 78,7 K 4,7 Dermed er placeringen af solvekslerspiralerne kendt og beholderens indre udformning bliver dermed som vist på Figur A.9. Suppleringsspiralen antages at blive udført med samme rørdimension som solvekslerspiralen. Der anvendes ligeledes fire spiraler. Placeringen af spiralen er antaget. 1

13 Snit A-A A A Figur A.9: Beholderens indre udformning med spiraler. For yderligere detaljer vedrørende beholderens udformning med spiraler m.m. samt principdiagram er vist på tegning I.14. A..5 Udformning af teknikrum Varmtvandsbeholderen placeres i teknikrummet i kælderen, jf. afsnit N.9. Da teknikrummet er,5 m bredt, og der samtidig skal være plads på siderne af beholderen, er der ikke plads til varmtvandsbeholderen, som har en diameter på,5 m inklusiv isolering. Da arkitekten ikke har haft et solfangeranlæg og dermed en stor beholder med i sine overvejelser, er der ikke taget højde for dette ekstra pladskrav i teknikrummet. Det vælges derfor at ændre den konstruktive udformning af teknikrummet, så der bliver plads til beholderen. Det antages, at der på den ene side af beholderen og bagved beholderen skal være ca. 0,6 m, således at det er muligt at komme om bagved den. Dette medfører, at teknikrummet udvides med 0,85 m i bredden. Endvidere flyttes døren til modsatte ende end foreslået af arkitekten. På Figur A.10 ses placeringen af varmtvandsbeholderen i det reviderede teknikrum. 1

14 A Snit A-A , A Figur A.10: Placering af varmtvandsbeholder i teknikrum. For yderligere detaljer af placering, se tegning I.14. Principdiagrammet for sammenkoblingen af solfangerkredsen og brugsvandskredsen er beskrevet i afsnit A..9. A..6 Dimensionering af pumpe til solkreds Ud fra programmet solkreds.xls fastlægges tryktabet for den kreds, der giver det største tryktab. Strækningen med det største tryktab er strækningen fra vandvarmeren ud til solfangeren placeret længst mod nord. Tryktabet består af tryktab i ledningerne og tryktab i vekslerspiralen. Ydermere tillægges tryktabet over den enkelte solfanger, jf. afsnit P.4.1. De i programmet udregnede tryktab er angivet i Tabel A.. Længderne på de enkelte strækninger stemmer ikke helt overens med de længder, der skal anvendes ved det færdige byggeri, men er fastlagt således, at beregningerne er på den sikre side. Tabel A.: Tryktab for værste kreds i solkreds. Strækning Rørdiameter [mm] Tryktab [kpa] Vekslerspiral til samlingspunkt på tagflade 5 45,98 Fra samlingspunkt på tagflade til indløb til 4 fjerneste solfangere 8,86 Fra indløb til udløb i kreds til enkelt solfanger 1 4,66 Gennem enkelt solfanger 1 1,8 Fra udløb ved 4 fjerneste solfangere til samlngspunkt på 8,86 tagflade Fra samlingspunkt til vekslerspiral 5 45,98 Enkelt vekslerspiral 8 17,4 Samlet tryktab i værste kreds 19,60 14

15 Tryktabet over den værste kreds er følgende: p solkreds 19,6kPa Pumpens nødvendige tryk p p, efter tillæg løftetryk for fjederbelastet kontraventil, bestemmes til følgende: p p psolkreds + 5 kpa 19,6 kpa + 5kPa 198,5 kpa Idet den nødvendige trykforøgelse fra pumpen anses for stor i forhold til hvad man kunne forvente for en cirkulationsledning, er der anvendt for små rørdimensioner. En forøgelse af rørdimensionerne vil medføre mindre tryktab og hermed en mindre pumpe, dette er ikke gjort i dette projekt. Den dimensionerede pumpe kan således yde mere end nødvendigt, hvis der ved det færdige byggeri vælges at øge rørdimensionen. Der vælges en pumpe, der minimum kan levere dette tryk ved væskestrømmen gennem solkredsen. Ud fra pumpekarakteristikken fastlægges den aktuelle trykforøgelse, og der vælges en indreguleringsventil således, at pumpen yder den beregnede væskestrøm. Vandstrømmen, som pumpen skal yde, er fastlagt i beregningsprogrammet solkreds.xls til 4,16 l/s. Det er valgt at anvende en pumpe af typen NP fra Grundfoss. Pumpekarakteristiken er vist på Figur A

16 Figur A.11: Pumpekarakteristik for NP Grundfoss pumpe [ Efter pumpen placeres en reguleringsventil, der leverer et tryktab på 1,5 kpa. For at yde den fornødne omdrejningshastighed skal pumpen bruge,7 k. Denne effekt anvendes ved simuleringen i Kviksol, hvor der tages højde for solkredsens energiforbrug. A..7 Indregulering af solfangerkreds For at sikre den rigtige vandmængde gennem de resterende solkredse er det nødvendigt med indreguleringsventiler, der leverer et tryktab svarende til forskellen i tryktab mellem den pågældende kreds og kredsen med det største tryktab. På Figur A. ses det hvor indreguleringsventilerne placeres. I Tabel A.4 og Tabel A.5 er størrelsen af indreguleringsventilerne angivet. Den anvendte nummerering henviser til solfangernummer, således solfangeren længst væk fra skakten angives med nummer 1. Ø henviser til den østlige kreds, og V henviser til den vestlige kreds. Proceduren for bestemmelse af indreguleringsventilernes størrelse fremgår af afsnit N.11. Tabel A.4: Størrelse af indreguleringsventiler på nordlige solkreds. p R.1.Ø p R..Ø p R..Ø p R.4.Ø p R.5.Ø p R.6.Ø 69 Pa 1651 Pa 40 Pa 8864 Pa Pa 566 Pa p R.1.V p R..V p R..V p R.4.V p R.5.V p R.6.V 69 Pa 1651 Pa 40 Pa 8864 Pa Pa 566 Pa Tabel A.5: Størrelse af indreguleringsventiler på sydlige solkreds. 16

17 p R.1.Ø p R..Ø p R..Ø p R.4.Ø p R.5.Ø 71 Pa 1661 Pa 454 Pa 891 Pa Pa p R.1.V p R..V p R..V p R.4.V p R.5.V 71 Pa 1661 Pa 454 Pa 891 Pa Pa A..8 Dimensionering af ekspansionsbeholder Idet vand udvider sig, når det opvarmes, etableres der ekspansionsmulighed i solfangerkredsen. Ekspansionsbeholderen skal have en sådan størrelse, at variationer i vandets volumen kan optages i beholderen. En åben ekspansionsbeholder kan sikre mod overtryk i anlægget, hvis varmetilførslen til anlægget skulle blive for stor. Det er af flere grunde valgt at anvende en lukket beholder, hvorfor overtrykssikring må tilvejebringes med en sikkerhedsventil. I en lukket beholder er der ingen fri vandoverflade, men en membran der adskiller vandet fra en luftpude. Ved en ekspansion presses luftpuden sammen hvorved trykket stiger. Trykket stiger dog ikke så meget, at sikkerhedsventilen træder i funktion. Grunden til, at det er valgt at anvende en lukket beholder, er, at den kan placeres i teknikrummet uden frostrisiko. Desuden kan trykniveauet frit vælges til det ønskede. På Figur A.1 er damptrykskurven for 40% propylenglycol-blanding angivet [MST, lektion 9, s. ]. Det vælges, at solfangervæskens kogepunkt skal være 10 C, hvorud fra det nødvendige overtryk i toppen af solfangeren aflæses. Overtrykket søger for, at der er tilstrækkeligt tryk til at solfangervæsken ikke koger Kogepunkt [ C] ,5 1 1,5,5 Overtryk [bar] Figur A.1: Damptrykskurve for 40% propylenglycol-blanding [MST, lektion 9, s. ]. 17

18 Det nødvendige overtryk aflæses til, P kog : P kog 0,8 bar På Figur A.1 ses en skitse af solfangerkredsen med tilhørende ekspansionsbeholder. Benævnelserne anvendes ved den senere dimensionering. A P top H h E PE Ekspansionsbeholder Supplerende energi SV B P Solfangerkreds P: Pumpe H, h: Trykforskel i mvs P: Tryk i ekspansionsbeholder E SV: Sikkerhedsventil A, B, E: Punktbenævnelser P: Trykket i toppen af solfangeren top Figur A.1: Skitse af solfangerkreds med tilhørende ekspansionsbeholder. Fortrykket i ekspansionsbeholderen skal være følgende for at sikre vanddækning, P E, stilstand [MST, lektion 9, s.]: Hvor: P top P top P E, stilstand h P E,stilstand h > 0 P 10 E,stilstand h 10 Trykket i toppen af solfangeren [bar] Trykket i ekspansionsbeholderen ved stilstand [bar] Trykforskel [mvs] For at forhindre kogning af solfangervæsken er sikkerhedstrykket i ekspansionsbeholderen givet ved, P E, drift [MST, lektion 9, s.4]: h h Ptop PE,drift p EA Pkog PE,drift Pkog + + p EA Hvor: p EA Tryktab over strækningen E-A ved drift [bar], jf. Figur A.1 18

19 P E,drift Trykket i ekspansionsbeholderen ved drift [bar] Ekspansionsbeholderens effektive volumen ved 40% glycolblanding findes af [MST, lektion 9, s.4]: Hvor: V E V t V E (0,11 t,5) (P 100 (P P E,drift E,drift E,stilstand + 1) V ) Ekspansionsbeholderens effektive volumen [l] Solfangerkredsens samlede væskevolumen [l] Solfangervæskens kogepunkt [ C] Sikkerhedsventilen dimensioneres for et tryk, der sikrer, at der ikke forekommer tryk over P kog. Åbningstrykket for sikkerhedsventilen bestemmes af følgende udtryk [MST, lektion 9, s.]: Hvor: P SV P E H h + + p 10 BE P SV P kog H + + p 10 BE + p p BE Tryktab over strækningen B-E ved drift [bar], jf. Figur A.1 P SV H Åbningstryk for sikkerhedsventil [bar] Trykforskel [mvs] EA Ekspansionsbeholderen placeres i teknikrummet i forbindelse med varmtvandsbeholderen. Beholderen antages placeret i kote, dvs. 1, m over gulvet. Ud fra placeringen fastlægges højden fra ekspansionsbeholderen til toppen af solfangerne til,8 m. Trykket i ekspansionsbeholderen ved stilstand bestemmes til: P E,stilstand,8 mvs,8 bar 10 mvs bar Sikkerhedstrykket i ekspansionsbeholderen findes til følgende, idet p EA fastlægges som tryktabet fra ekspansionsbeholderen op til toppen af den solfanger, hvortil der forekommer det største tryktab, jf. beregningsprogrammet solkreds.xls : P E,drift,75 mvs 0,8 bar ,85 kpa mvs bar bar kpa,9 bar Solfangerkredsens samlede væskevolumen, V, bestemmes som summen af volumen i vekslerspiralen, ledningsstrækningerne og solfangerne. Det samlede væskevolumen i solfangerkredsen bestemmes i programmet solkreds.xls. V findes til: 19

20 V 0,64 m 64 l Ekspansionsbeholderens effektive volumen ved 40% glycolblanding findes til: (0,11 10 C,5) (,9 bar + 1) V E 64 l 06,4 l 0,06m 100 (,9 bar,8 bar) Da ekspansionsbeholderen placeres samme sted som sikkerhedsventilen, bliver tryktabet fra sikkerhedsventilen til ekspansionsbeholderen nul, hvorfor sikkerhedsventilens åbningstryk bestemmes til: P SV,75 mvs 0,8 bar ,85 kpa mvs bar A..9 Opbygning af det samlede solfangeranlæg bar kpa,9 bar 4 bar På Figur A.14 ses principdiagrammet for sammenkoblingen af solfangerkredsen og brugsvandskredsen. Se også tegning I.14. FF FR BV BC BK Tovejsventil Pumpe Trykudligning Ledning til differensstyring Kontraventil Aftapningshane Styring Fjederbelastet ventil Trykdifferens-regulator Termometer Luftudlader Spiralvarmeveksler Fjederbelastet sikkerhedsventil Trykmåler A.14: Det samlede solfangeranlægs opbygning. Lukket ekspansionsbeholder Indløb Figur A. Ydelsesberegning i Kviksol I afsnit P.5 er der foretaget en ydelsesberegning for anlægget med overslagsmæssige indgangsparametre. I dette afsnit foretages ydelsesberegningen med de indgangsparametre, der er fastlagt i afsnit A.. Ydelsesberegningen viser således, hvordan systemet fungerer under drift. 0

21 A..1 Vurdering af endelig ydelsesberegning Den endelige ydelsesberegning, der opnås ved brug af de endelige indgangsparametre for anlægget til opvarmning af brugsvandet, er anført i Figur A.15. Figur A.15: Årsværdier af ydelsesberegninger i Kviksol [Kviksol]. Ud fra Figur A.15 ses det, at det valgte system til opvarmning af brugsvandet medfører, at der leveres en energi svarende til energibehovet. På årsbasis leveres 0,5 % af den nødvendige energi fra solfangerne. Hvis der havde været mulighed for at placere flere solfangere på tagfladen, hvorved solfangerarealet kunne øges, ville der have været mulighed for at øge den leverede energi fra solfangerne. Arealbegrænsningen sætter således en begrænsning for hvor stor en andel af den leverede energi, der kan tilskrives solfangerne. Det bemærkes, at der på solfangerkredsen forekommer et forholdsvis stort tab sammenlignet med bruttotilførslen fra solfangerkredsen. Den maksimale temperatur i solfangeren er fundet til 9 C, hvilket er under kogningstemperaturen for solfangervæsken, jf. afsnit A..8. Den maksimale temperatur i beholderen er fundet til 94,1 C, hvilket betyder, at der på visse tidspunkter ved tapning skal iblandes koldt vand, således at fremløbstemperaturen opnår den ønskelige temperatur, jf. afsnit N.9. Der tages forbehold for disse temperaturer idet det ikke anses for realistisk at beholderen antager en temperatur der er højere end den maksimale temperatur i solfangerne, jf. afsnit P

22 I Figur A.16 er månedsfordelingen af brutto- og nettoydelsesprocenterne for energitilførslen fra solfangerkredsen angivet. Figur A.16: Månedsfordeling af brutto- og nettoydelsesprocenter [Kviksol]. Ud fra Figur A.16 ses det, at den største ydelse fra solfangeranlægget opnås i sommerperioden, hvilket også var at forvente, idet det er her det største solindfald forekommer. I sommerperioden leverer solfangeranlægget en ydelse på ca. 55 %. Til sammenligning kan nævnes, at solfangeranlæg på en-familiehuse normalt har en ydelse på ca. 100 % i sommerperioden. Det beskedne udbytte skyldes dels arealbegrænsningen og dels hotellets store varmtvandsforbrug. I Figur A.17 ses månedsværdier for energibehov og leveret energi fra henholdsvis suppleringsdelen og soldelen.

23 Figur A.18: Månedsværdier for energibehov og leveret energi fra henholdsvis suppleringsdelen og soldelen [Kviksol]. Ud fra Figur A.18 ses hvorledes den leverede ydelse fra solfangeranlægget hænger sammen med solindfaldet. I månederne maj til august leveres således en stor del af den totale ydelse fra solfangeranlægget.

24

25 Kapitel (tekst) 1