PowerPoint Presentation

Transkripcija

1 PREDAVANJA Energija in okolje Ogrevanje Topla sanitarna voda Prezračevanje Hlajenje Priprava tople sanitarne vode, ogrevanje, hlajenje in proizvodnja električne energije s sončno energijo s sistemi na stavbah Klimatizacija Oskrba in ravnanje z vodo Transportne naprave Naprave za gašenje Elektro instalacije Inteligentne instalacije LOTZ_Laboratorij za okoljske tehnologije v zgradbah 2015

2 Ogrevanje, hlajenje in proizvodnja električne energije s sončno energijo Sončno obsevanje med 1100 in 1380 kwh/m 2 v letu ali PJ na površini SLO. Sedanja poraba primarne energije je okoli 310 PJ. Tehnični potencial je ocenjen na in PJ na leto. Kastelec D.; Rakovec J., Zakšek K.; Sončna energija v Sloveniji, SAZU 2007

3 Pasivni in aktivni sistemi Aktivni solarni sistemi (srednje temperaturni solarni sistemi) PV fotonapetostni sistemi

4 Pri delovanju v zaprtih sistemih se nosilec toplote segreje v SSE in nato kroži po ceveh oz. kanalih. Pri odprtih sistemih vstopa tekočina v SSE neposredno iz okolice. Tako delovanje ni značilno za kapljevinske SSE, se pa večinoma uporablja pri predgrevanju prezračevalnega zraka ali pri sušenju pridelkov z zračnimi SSE. Sprejemniki sončne energije - SSE Sprejemniki sončne energije lahko obratujejo v zaprtih ali odprtih sistemih. V zaprtih sistemih teče tekočina po ceveh oz. kanalih v hranilnik toplote ali v stavbo, se ohladi in vrne v SSE. V odprte sisteme dovajamo tekočino iz okolice in jo segrejemo v SSE. Tako delujejo večinoma zračni SSE, predvsem za predgrevanje prezračevalnega zraka.

5 Ravni SSE Sprejemniki sončne energije - SSE

6 Sprejemniki sončne energije - SSE

7 Solarni ogrevalni sistemi Sistemi z naravnim obtokom - pri sistemih z naravnim obtokom kroži nosilec toplote zaradi vzgona. HT mora biti vsaj 0.5 m nad SSE. Pri enokrožnih sistemih (direktni sistemi) je v celotnem sistemu pitna voda, ki kroži skozi SSE in HT. Vsi elementi solarnega sistema morajo biti grajeni za tlake, ki so v vodovodnem sistemu. Pri temperaturah vode nad 60 C se lahko na površinah elementov odlaga vodni kamen. V zimskem času moramo sistem izprazniti. Pri dvokrožnih sistemih je solarni krog ločen hranilnik toplote ima vgrajen prenosnik toplote. Taki sistemi lahko delujejo celo leto. Hranilnik toplote je običajno nameščen v stavbi. Hranilnik toplote je lahko tako pri enokrožnih kot pri dvokrožnih sistemih vodoravne ali navpične izvedbe.

8 Solarni ogrevalni sistemi Sistemi s prisilnim obtokom - pri sistemih s prisilnim obtokom kroži nosilec toplote v sistemu s pomočjo obtočne črpalke. V sistemih s površino SSE do 20 m 2 vgrajujemo en HT, v sistemih z več kot 20 m 2 pa dva ali več HT. Dogrevanje

9 Solarni ogrevalni sistemi Solarni ogrevalni sistemi se najpogosteje uporabljajo za pripravo sanitarne tople vode (STV). Poleg sprejemnika sončne energije (SSE), sistem sestavljajo hranilnik toplote (HT), cevovod, obtočna črpalka, rezervni generator toplote in regulacijski sistem. Tipično se pri takem sistemu upošteva SSE s površino 2 m 2 na osebo in HT s prostornino 50 do 75 litrov na m 2 SSE. Hranilnik toplote z integriranima cevnima prenosnikoma toplote. Spodnji je povezan s SSE, zgornji z rezervnim generatorjem toplote.

10 volumen HT (l) Solarni ogrevalni sistemi Sistemi za ogrevanje prostorov s pomočjo solarnih sistemov imajo večje površine SSE (do 1/3 m 2 SSE na 1 m 2 ogrevane površine) in večje hranilnike toplote (do več m 3 za enodružinske hiše). V hranilnik toplote je integriran manjši hranilnik za pripravo sanitarne tople vode. Pri tem je pomembno razslojevanje temperatur v hranilniku. Za načrtovanje potrebujemo primerno računalniško orodje STV STV+ogrevanje površina SSE (m 2 ) Hranilnik toplote z integriranim prenosnikom toplote oz. hranilnikom za pripravo sanitarne tople vode. Z dovodom na različnih višinah dosežemo razslojevanje temperatur. To izboljša eksergijsko ravnovesje sistema.

11 Solarni ogrevalni sistemi Najbolj razširjeni so solarni ogrevalni sistemi namenjeni segrevanju sanitarne vode večji sistemi z ločenimi hranilniki Sanitarno tople vodo v Domu starejših občanov v Teznem segrevajo s solarnim sistemom Površina SSE je 100 m2 Solarni sistem ima štiri hranilnike s skupno prostornino 3600 litrov Če voda s solarnim sistemom ni zadosti segreta, jo dogrejejo v končnem hranilniku (V = 2000 l) Vodo dogrevajo s plinskima kotloma

12 Solarni ogrevalni sistemi Solarni ogrevalni sistemi za večstanovanjske stavbe so postali v zadnjih letih zelo razširjeni. Najpogostejši so štiricevni (levo) in dvocevni sistemi (desno). V primeru štiricevnega solarnega sistema, je sistem priprave sanitarne tople vode ločen od ogrevanja prostora. Potrebujemo tudi rezervni generator toplote. Posebno pozornost je treba posvetiti preprečevanju nastanka mikroorganizmov s toplotnimi šoki, pri katerih cel sistem segrejemo na 60 do 70 C za nekaj ur na teden. Dvocevni solarni ogrevalni sistemi so bolj zapleteni. Vsako stanovanje ima svojo podpostajo za ogrevanje prostora in pripravo STV. Sanitarno vodo ogrevamo po potrebi z integriranim ploskovnim prenosnikom toplote. S čimer preprečimo nezdrave razmere. Povratni vod ima nižjo temperaturo. Zaradi tega deluje SSE z večjo učinkovitostjo.

13 DSO Preddvor Solarni ogrevalni sistemi Pri daljinskih solarnih ogrevalnih sistemih gre običajno za kombinacijo z daljinskimi sistemi na biomaso. Tako zagotavljamo potrebno toploto za pripravo sanitarne tople vode poleti. Sistemi imajo nižje emisije, obratovanje pa je cenejše. Daljinski sistem s centralnim hranilnikom toplote Daljinski sistem za podporo ogrevanju, biomasa + sonce DOLB, Vransko

14 Solarni ogrevalni sistemi proizvodnja toplote Čez palec Nezastekljeni 250 kwh/m 2 a Ravni 500 kwh/m 2 a Vakuumski 600 kwh/m 2 a Če SSE ni nameščen optimalno (naklon 20 do 40 med JJV in JJZ) upoštevamo korekcijski faktor ->

15 Solarni ogrevalni sistemi proizvodnja toplote PRIMER: Ravni, selektivni SSE vgradimo pri optimalni orientaciji v kraju z letnim globalnim sončnim 1000 kwh/m 2. SSE bomo uporabljali za pripravo sanitarne tople vode v enodružinski hiši. Uporabna površina stavbe je 120 m 2. Kako velika mora biti površina SSE, če naj s solarnim sistemom zadostimo potrebam za pripravo 65% sanitarne tople vode Povprečna poraba toplote za pripravo sanitarne tople vode je 12 kwh do 16 kwh na leto na 1 m 2 uporabne površine stavbe: Q STV = 15 kwh/m 2 a. 120 m 2 = 1800 kwh/a A SSE = 0,65. Q tap /( /1200) = 2,81 -> 3 m 2 Opomba: ulomek 1000/1200 je korekcijski faktor sončnega obsevanja kraja

16 Solarni ogrevalni sistemi proizvodnja toplote PURES 2010 in TSG :2010

17 Solarni hladilni sistemi Solarno podprto hlajenje izboljšuje ekološki odtis/trajnost/sonaravnost stavb ker: omogoča bistvene prihranke primarne energije in nižje emisije CO 2 ; omogoča zmanjševanje vršne obremenitve električnega omrežja; omogoča kombinirano uporabo solarnega ogrevanja, hlajenja in priprave sanitarne vode, kar izboljšuje letno učinkovitost toplotnih solarnih sistemov ter izboljšuje ekonomičnost solarnih sistemov; nižji hrup. Poraba toplote in delež solarnih ogrevalnih sistemov heating ogrevanje solar irradiation Sončno obsevanje solar assisted cooling DHW heating DHW + heating heating with seasonal heat storage

18 Solarni hladilni sistemi kako delujejo Odprt proces - zrak s katerim prezračujemo stavbo hladimo v klimatu pred vstopom v stavbo Zaprt proces produkt je hlajena voda (5-10 C), ki se pretaka do decentralnih enot (ventilatorskih konvektorjev, hladilnih gred, toplotno vzbujenih gradbenih konstrukcij V obe vrsti sistemov moramo za delovanje dovajati toploto. To je naloga sprejemnikov sončne energije. Temperaturni nivo dovedene toplote je med 50 in 60 C pri odprtem procesu in 80 do 95 C+ pri zaprtem procesu.

19 Solarni hladilni sistemi sušilno/hlapilno hlajenje Večina dobaviteljev HVAC sistemov nudi solarno podprto DEC kot del prezračevalnih ali klimatizacijskih naprav

20 Solarni hladilni sistemi sorpcijsko hlajenje Zaprti sistemi solarnega hlajenja so že dolgo uporabljani sistemi t.i. sorpcijskega hlajenja. V sorpcijskem procesu sodelujeta dve snovi hladivo in absorbent. V sistemih za hlajenje stavb se najpogosteje uporabljata voda (hladivo) in litijev bromid (absorbent). TOPLOTNI KOMPRESOR Generator Potrebujemo električno energijo Absorber Dobimo iz SSE (85 C+) topla voda (pogonska toplota) Odvajamo v okolico 4 1 hladilna voda 6 7 Kondenzator Uparjalnik Prednost: Poraba električne energije za pogon črpalke je mnogo manjša kot poraba električne energije za pogon kompresorja pri klasičnih hladilnih sistemih. Toda potrebujemo toploto na visokem temperaturnem nivoju hladilna voda Odvajamo v okolico hlajena voda Voda s temperaturo 5 do 10 C za hlajenje stavbe

21 Solarni hladilni sistemi sorpcijsko hlajenje Absorpcijski solarni sistemi za hlajenje s hladilno močjo 5 in 15 kw Pomembno: pri načrtovanju so pomembne vse tri temperature temperatura grelne vode, temperatura okolice v katero prenašamo odpadno toploto in temperatura hlajene vode (Rotartica)

22 Solarni hladilni sistemi površina SSE? Role of thumb Površina SSE (m 2 ) A SSE G SSE Q c SSE Hladilna moč (kw) 3,7 m /kw COP Nazivno sončno sevanje (0,8 kw/m 2 ) Učinkovitost SSE (~0,5) Projektni COP ~ 0,75 2 Povprečne velikosti SSE na 1 kw hladilne moči izvedenih solarno podprtih hladilnih sistemov Adsorpcijski Absorpcijski S/H

23 Primeri dobre prakse Solarni hladilni sistemi primeri Hartberg A pisarniška stavba Velikost stavbe: 280 m 2 S/H m 3 /h; 30 kw Vakuumski SSE: 12 m 2 Hranilnik toplote: 3 m 3 Količina hladu: kwh/a

24 Primeri dobre prakse Solarni hladilni sistemi primeri Banyuls FR hlajenje vinske kleti Velikost stavbe m 2 Absorpcisjko hlajenje - Yazaki 52 kw Vakuumski SSE m 2 Hranilnik - 1 m 3 Količina hladu kwh/a Raba električne energije kwh/a Vir : TECSOL

25 fotovoltaični pojav, ko gre za pretvorbo energije fotonov v električno energijo. Zato štejemo fizika Becquerela za iznajditelja sončnih celic v fizikalnem pomenu. Solarni sistemi za proizvodnjo električne energije fotonapetostni sistemi pojav. Leta 1839 je francoski fizik Alexandre-Edmond Becquerel odkril, da se jakost električnega toka med elektrodama v elektrolitu poveča, ko so elektrode obsijane s sončnim sevanjem. Odkril je fotoelektrični Fotoelektrični pojav je posledica delovanja elektromagnetnega valovanja (IR, svetlobe, UV, rentgenskih in gama žarkov) na električno nabite delce snovi. Energija fotonov se prenese elektronom, protonom ali drugim delcem. Med drugimi med fotoelektrične pojave uvrščamo fotoprevodnost, ko se snovi, ki je obsijana s sončnim sevanjem, spremeni električna upornost, (značilni snovi sta selen in kadmijev sulfid CdS), fotoluminiscenco, ko fotoni vzbudijo elektrone snovi, ki s časovno zakasnitvijo oddajajo fotone drugih valovnih dolžin ter

26 Fotonapetostni (PV) sistemi sončne celice S sončnimi celicami pretvarjamo energijo sonca neposredno v električno energijo. Večina sončnih celic je izdelana iz silicija. V sončni celici fotoni z zadostno energijo povzročijo nastanek prostih elektronov, ki jih napetostna ovira, ki nastane na spoju dveh tankih plasti Si z dodatkom P ali B (n-tip/p-tip Si), usmeri na nitkasto elektrodo na površini sončne celice.

27 Fotonapetostni (PV) sistemi sončne celice Največ sončnih celic danes izdelajo iz enega kristala silicija (te celice imenujemo monokristalne mc-si ) ali več kristalov v primeru polikristalnih celic ( p-si ). Te sončne celice imajo največji izkoristek: mc-si 15-18% oz. p-si 12-16% Proizvodnja kristalnega silicija je razmeroma draga. Stroške lahko zmanjšamo z amorfnimi Si celicami (to je druga oblika Si v naravi); vendar je učinkovitost a-si celic nižja - do 8% Polikristalne solarne celice izdelujemo tudi iz drugih spojin s podobnimi lastnostmi kadmijev telurid (CdTe) ali baker-indij-diselenid (CIS); imajo sicer nižjo učinkovitost (12 14 %), toda njihova proizvodnja je cenejša mc-si p-si CIS

28 Fotonapetostni (PV) sistemi sončne celice Tržni deleži različnih vrst sončnih celic

29 Fotonapetostni (PV) sistemi PV moduli Sončne celice so tesno zaprte v module velikosti od nekaj 100 cm 2 do več m 2. Pogosta velikost modulov, ki jih vgrajujemo v stavbe je 1 m. 1,6 m. V njih je 40 do 50 PV celic je povezanih tako, da modul proizvaja enosmerno napetost 20 to 25 V. tesnilo tesnilo zgornje steklo steklo enkapsulacijsko sredstvo gel za tesnenje sončne celice pokrov zadaj zadnja plošča nosilni okvir nosilni okvir Vsak proizvajalec navaja za modul njegovo vršno električno moč peak power (Wp). To je električna moč, ki jo modul doseže pri sončnem sevanju 1000 W/m 2 in temperaturi celice 25 C. Torej pri idealnih pogojih. Vsak proizvajalec navaja za modul tudi faktor trajnosti durability factor. Z njim zagotavlja učinkovitost po 20 do 30 letih delovanja. Tipično 5% do 10%. Torej bo modul z močjo 500 Wp imel po 20 letih delovanja še vedno moč vsaj 450 Wp.

30 Fotonapetostni (PV) sistemi PV moduli Najpogosteje delujejo PV sistemi: otočno (off-grid) v primeru, ko stavba ni priključena na javno distribucijsko omrežje povezani v javno električno distribucijsko omrežje Primer otočnega PV sistema 1 kw p (OLEA Zagorje); kot dopolnilni generator je vgrajena gorivna celica (levo); primer PV elektrarne z močjo 107 kw p podjetja Pipistrel.

31 Fotonapetostni (PV) sistemi PV moduli Sisteme z razsmernikom (angl. invertor) gradimo zaradi možne uporabe standardnih naprav AC, ~220V) in manjših vodnikov. Cena razsmernikov je odvisna od moči in gladkosti spreminjanja izmeničnega signala - razsmerniki s trapeznim signalom so cenejši od inverterjev s sinusnim signalom. Razsmernik je lahko samostojna enota, ki je povezana z moduli sončnih celic, baterijami in trošili, lahko pa je dodan posameznemu modulu. PV sistemi z razsmernikom so lahko priključeni na javno električno omrežje, tako, da trenutni višek elektrike oddajajo v omrežje. Tako je delovanje PV sistema učinkovitejše. Take sisteme imenujemo PV elektrarne. Trenutno največja PV elektrarna v Evropi z močjo sončnih celic 1 MW je na strehah novega razstavišča v Münchnu.

32 Fotonapetostni (PV) sistemi PV moduli kot del ovoja stavbe Vgradnja PV modulov v ovoj stavb sicer znižuje učinek, ker namestitev ni optimalna. To je tudi razlog, da so finančne vzpodbude v tem primeru višje. Glavne prednosti: s PV moduli nadomestimo dele fasad ali streh, kar poceni gradnjo; PV moduli so vremensko obstojni, zato so vzdrževalni stroški stavbe nižji; PV moduli lahko izboljšajo toplotne lastnosti ovoja stavbe in senčijo velike steklene površine, kar znižuje stroške delovanja stavb; zagotavljajo investitorju dolgotrajni in stabilni finančni prihodek; poudarjajo sonaravnost stavbe in dvigujejo ugled investitorja; racionalna raba prostora; PV moduli so na voljo v številnih izvedbah, ki naj bi snovalcem stavb omogočile lažjo vgradnjo v ovoj stavb ->

33 Fotonapetostni (PV) sistemi PV moduli kot del ovoja stavbe PV moduli so lahko delno transparentni gostota sončnih celic v modulu se lahko prilagodi zahtevam izgleda, naravne osvetlitve, senčenja,..

34 Fotonapetostni (PV) sistemi PV moduli kot del ovoja stavbe Sončne celice so lahko v različnih barvnih odtenkih PV moduli so lahko izdelani v obliki že uveljavljenih standardnih gradbenih elementov

35 Načrtovanje Fotonapetostni (PV) sistemi koliko električne energije proizvedejo? Rule of thumb Moč: 1 kw p > 8 10 m 2 Letna proizvedena energija PV modula s površino 1 m 2 v kraju z letnim sončnim obsevanjem 1100 kwh/m 2 in optimalno namestitvijo: kwh/m 2 (za pc-si modules) Če modul ni nameščen optimalno (naklon 20 do 40 med JJV in JJZ) upoštevamo korekcijski faktor ->

36 Fotonapetostni (PV) sistemi koliko električne energije proizvedejo? PV sistemi PURES 2010 in TSG :2010

37 PV sistemi Fotonapetostni (PV) sistemi koliko električne energije proizvedejo? PURES 2010 in TSG :2010

38 ?