POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

WYDZIAŁ INFRASTRUKTURY I ŚRODOWISKA

mgr Piotr Feliński

AUTOREFERAT ROZPRAWY DOKTORSKIEJ

MAGAZYNOWANIE CIEPŁA W KOLEKTORZE SŁONECZNYM

Z WYKORZYSTANIEM PARAFINY

NA POTRZEBY INSTALACJI GRZEWCZYCH

Promotor: Prof. dr hab. inż. Robert Sekret

Wydział Infrastruktury i Środowiska

Politechnika Częstochowska

Recenzenci: Prof. dr hab. inż. Tomasz Mróz

Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska

Politechnika Poznańska

Prof. dr hab. inż. Marian Nantka

Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Politechnika Śląska

Częstochowa 2016

1

SPIS TREŚCI

1. WPROWADZENIE ................................................................................................................... 2

2. TEZA, CELE I ZAKRES PRACY ............................................................................................ 4

3. OBIEKT BADAŃ ...................................................................................................................... 5

3.1. Stanowisko Badawcze ................................................................................................................ 5

3.2. Charakterystyczne właściwości parafiny .................................................................................... 6

3.3. Kolektor próżniowo-rurowy zintegrowany z parafiną ............................................................... 7

4. METODYKA BADAŃ............................................................................................................... 9

5. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA ....................................................................................... 14

5.1. Badania wstępne procesu magazynowania ciepła w kolektorze próżniowo-rurowym

z wykorzystaniem ciepła przemian fazowych parafiny .......................................................... 14

5.2. Charakterystyczne parametry pracy kolektora próżniowo-rurowego zintegrowanego

z parafiną ................................................................................................................................. 17

5.3. Analiza zastosowania kolektora próżniowo-rurowego z parafiną w instalacji c.w.u. ............. 18

5.4. Analiza zastosowania kolektora próżniowo-rurowego z parafiną w instalacji c.o. ................. 23

6. WNIOSKI KOŃCOWE ........................................................................................................... 25

LITERATURA ................................................................................................................................. 26

2

1. WPROWADZENIE

Potrzeba racjonalnego gospodarowania zasobami paliw kopalnych oraz ochrona powietrza

atmosferycznego przed zanieczyszczeniami powodują, że konieczne są działania mające na celu

ograniczenie zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną oraz zwiększenie stopnia

wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Zwiększenie udziału odnawialnych źródeł energii

w pokryciu zapotrzebowania na energię systemów budowlano-instalacyjnych możliwe jest m.in.

poprzez wykorzystanie potencjału energii promieniowania słonecznego. Jednakże, znaczące

rozbieżności pomiędzy zapotrzebowaniem na ciepło a zmienną w czasie dostępnością energii

promieniowania słonecznego powodują, że istnieje potrzeba magazynowania ciepła.

Ograniczenia wynikające ze stosowania klasycznych metod magazynowania ciepła

(wykorzystujących pojemność cieplną właściwą materiałów) stanowią istotną barierę

w zwiększaniu udziału ciepła uzyskanego z termicznych kolektorów słonecznych. Dlatego też,

poszukiwane są nowe rozwiązania wykorzystujące do magazynowania ciepła przemiany fazowe

[1,2,3] oraz sorpcję i reakcje termochemiczne [4,5,6]. Wysokie temperatury pracy układów

wykorzystujących sorpcję i reakcje termochemiczne [4] powodują, że z uwagi na ograniczone

możliwości stancjonarnych kolektorów słonecznych korzystnym rozwiązaniem są układy

wykorzystujące ciepło przemian fazowych. Wykorzystywane w nich tzw. materiały zmiennofazowe

(PCM – ang. phase change material) charakteryzują się przemianą fazową w zakresie

temperaturowym 0-100ºC, w którym stacjonarne kolektory słoneczne charakteryzują się najwyższą

sprawnością cieplną. Spośród materiałów zmiennofazowych parafiny, jako grupa organicznych

PCM charakteryzują się wieloma właściwościami pożądanymi do magazynowania ciepła [2,3,7-9].

Istotnymi zaletami parafin są: wysokie ciepło przemian fazowych, brak segregacji faz oraz pomijalny

efekt przechłodzenia. Ponadto, parafina jest chemicznie obojętna, stabilna oraz nietoksyczna. Istotne

wady parafin stanowią niskie współczynniki przewodzenia ciepła oraz zmiany objętości podczas

przemiany fazowej. Należy zauważyć, że wysoki potencjał aplikacyjny w systemach

magazynowania ciepła wykazuje dostępna komercyjnie parafina techniczna ze względu na niską

cenę i powszechną dostępność.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że równie istotny, co sam proces magazynowania ciepła, jest

również sposób i miejsce jego implementacji w systemie budowlano-instalacyjnym. Materiały

zmiennofazowe są wykorzystywane obecnie w elementach konstrukcyjnych budynku w celu

poprawy komfortu cieplnego w ogrzewanych pomieszczeniach [10-16] (tzw. metody pasywne).

W przypadku metod aktywnych materiały zmiennofazowe implementowane są w elementach

akumulacyjnych instalacji grzewczej takich jak zasobnik wodny [17-19] lub odrębny zasobnik

z PCM [20], gdzie uzyskuje się większą ilość magazynowanego ciepła, jednak kosztem dodatkowej

powierzchni do zabudowy. Zmniejszenie wymaganej powierzchni do zabudowy umożliwia

integracja materiału zmiennofazowego z kolektorem słonecznym w celu stworzenia kompaktowego

urządzenia służącego zarówno do wytwarzania, jak i magazynowania ciepła. Obecne w literaturze

rozwiązania oparte na konstrukcji zintegrowanych słonecznych podgrzewaczy wody [21-26] oraz

płaskich kolektorów słonecznych [27-29] charakteryzuje problematyka związana z wysokimi

stratami ciepła oraz niskimi współczynnikami przewodzenia ciepła PCM. Ciekawą koncepcją w tym

przypadku jest wykorzystanie kolektorów próżniowo-rurowych (KPR) charakteryzujących się

lepszymi właściwościami izolacyjnymi (niższe współczynniki strat ciepła) oraz mniejszą czułością

na zmiany kąta padania promieniowania słonecznego [30] niż kolektory płaskie. Wykazano, że

integracja materiału zmiennofazowego z kolektorami próżniowo-rurowymi zwiększa ich sprawność

[30-32], jednakże badania prowadzono jedynie w korzystnych warunkach pogodowych (brak analizy

w cyklu całego roku).

3

Krytyczna analiza dostępnej literatury wykazała, że wykorzystanie ciepła przemian

fazowych w procesie magazynowania ciepła bezpośrednio w termicznych kolektorach słonecznych

jest w dalszym ciągu zagadnieniem nierozpoznanym w sposób szczegółowy, szczególnie

w przypadku kolektorów próżniowo-rurowych. Problematyka magazynowania ciepła

z wykorzystaniem tzw. materiałów zmiennofazowych powoduje, że z poznawczego punktu widzenia

badania tego procesu w kolektorze próżniowo-rurowym oraz analiza jego wpływu na potrzeby

grzewcze budynku umożliwią uzyskanie pełniejszej wiedzy w tym zakresie.

4

2. TEZA, CELE I ZAKRES PRACY

Na podstawie krytycznego przeglądu literatury dotyczącego procesu magazynowania ciepła

powstałego w wyniku konwersji fototermicznej i sposobów jego implementacji

w systemie budowlano-instalacyjnym postawiono następującą tezę:

Istnieje możliwość zwiększenia udziału energii promieniowania słonecznego

w pokryciu zapotrzebowania na ciepło użytkowe systemu budowlano-instalacyjnego oraz

zmniejszenia jego zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną poprzez

wykorzystanie ciepła przemian fazowych parafiny w procesie magazynowania ciepła

bezpośrednio w kolektorze próżniowo-rurowym.

W związku z tak postawioną tezą sformułowano następujące cele pracy:

1. Opracowanie koncepcji integracji kolektora słonecznego z materiałem

zmiennofazowym.

2. Przeprowadzenie badań eksperymentalnych umożliwiających wyznaczenie

charakterystycznych parametrów pracy próżniowo-rurowego kolektora słonecznego

zintegrowanego z materiałem zmiennofazowym oraz bez materiału zmiennofazowego.

3. Określenie wpływu materiału zmiennofazowego na ilość ciepła odebranego

z kolektora słonecznego na potrzeby grzewcze.

Dla przyjętych celów pracy jej zakres obejmował:

Przeprowadzenie przeglądu literatury w zakresie metod magazynowania ciepła

w systemach budowlano-instalacyjnych zasilanych energią promieniowania słonecznego.

Dobór materiału zmiennofazowego o pożądanych właściwościach cieplnych

i fizykochemicznych oraz typu kolektora próżniowo-rurowego umożliwiającego

implementację wybranego materiału zmiennofazowego.

Projekt i budowa stanowiska badawczego.

Przeprowadzenie badań eksperymentalnych:

o dla procesu ładowania kolektora próżniowo-rurowego, tj. w okresie operacji

słonecznej,

o dla procesu rozładowywania kolektora próżniowo-rurowego, tj. w okresie braku

operacji słonecznej.

Analiza wyników badań eksperymentalnych:

o określenie ilości ciepła uzyskanego z kolektora próżniowo-rurowego bez

i z materiałem zmiennofazowym,

o wyznaczenie charakterystycznych parametrów pracy kolektora próżniowo-

rurowego zintegrowanego z materiałem zmiennofazowym.

Analiza wpływu magazynowania ciepła za pośrednictwem materiału zmiennofazowego

w kolektorze próżniowo-rurowym na udział energii promieniowania słonecznego

w zapotrzebowaniu na ciepło do celów c.w.u.

Analiza wpływu zastosowania kolektora próżniowo-rurowego magazynującego ciepło

w materiale zmiennofazowym na zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną do

ogrzewania pomieszczeń

Podsumowanie i wnioski końcowe.

5

3. OBIEKT BADAŃ

3.1. Stanowisko Badawcze

W celu przeprowadzenia badań eksperymentalnych zaprojektowano i wybudowano

stanowisko badawcze umożliwiające wyznaczenie charakterystycznych parametrów pracy kolektora

próżniowo-rurowego zintegrowanego z PCM (KPR/PCM). Widok stanowiska badawczego został

przedstawiony na rysunku 3.1. Podstawowym elementem stanowiska badawczego był kolektor

próżniowo-rurowy z parafiną o polu powierzchni apertury 0,731 m2. Schemat stanowiska

badawczego przedstawiono na rysunku 3.2. Stanowisko badawcze wyposażone było w punkty

pomiarowe umożliwiające określenie charakterystyki cieplnej kolektora słonecznego.

Rys. 3.1. Widok stanowiska badawczego.

Rys. 3.2. Schemat stanowiska badawczego.

6

3.2. Charakterystyczne właściwości parafiny

Wybrana parafina techniczna została uzyskana podczas procesu hydrorafinacji ropy

naftowej. Z uwagi na brak szczegółowych informacji od producenta dotyczących właściwości

cieplnych parafiny, wykonano badania techniką skaningowej kalorymetrii różnicowej DSC, które

przeprowadziła jednostka zewnętrzna. Na rysunku 3.3 przedstawiono termogram DSC badanej

próbki parafiny. Należy zaznaczyć, że obecność różnych frakcji węglowodorów (w tym

zanieczyszczeń) w parafinie wpłynęła na rozszerzenie zakresu temperaturowego danej przemiany

fazowej. Bimodalny charakter piku widoczny na rysunku 3.3 wskazuje, że w badanej próbce parafiny

można wyróżnić tzw. przemianę fazową c. stałe – c. stałe poniżej zakresu temperaturowego topnienia

(wg badań DSC temperatura onset tej przemiany wynosiła 27,14˚C), która odbywa się bez zmiany

stanu skupienia, ponieważ są to jedynie zmiany w strukturze krystalicznej, o czym pisano m.in.

w pracach [33,34,35]. Podsumowanie właściwości cieplnych wybranej parafiny technicznej

przedstawiono w tabeli 3.1.

Tabela 3.1. Właściwości cieplne badanej próbki parafiny technicznej.

Właściwość Wartość

Ciepło właściwe w temp. 7.5˚C (c. stałe), kJ ∙ kg−1 ∙ K−1 1.8

Ciepło właściwe w temp. 80˚C (ciecz), kJ ∙ kg−1 ∙ K−1 2.2

Ciepło przemiany fazowej c.stałe-c.stałe, kJ ∙ kg−1 54.3

Ciepło przemiany fazowej c.stałe-ciecz, kJ ∙ kg−1 163.3

Całkowite ciepło przemiany fazowej, kJ ∙ kg−1 217.6

Rys. 3.3. Termogram DSC badanej próbki parafiny.

7

3.3. Kolektor próżniowo-rurowy zintegrowany z parafiną

Kolektory próżniowo-rurowe różnią się w swojej budowie, co zostało przedstawione na

rysunku 3.5. Podstawową różnicą w budowie rur próżniowych jest kształt i materiał,

z jakiego zbudowany jest absorber. Rozróżnia się dwa główne typy rur próżniowych:

ze szklanym, cylindrycznym absorberem (rysunek 3.4a) oraz miedzianym, płaskim absorberem

(rysunek 3.4b). Rury mogą być wyposażone w różne typy wymienników ciepła: rurka ciepła

(rysunek 3.4c), rura w rurze (rysunek 3.4d) oraz u-rurka (rysunek 3.4e).

Rys. 3.4. Klasyfikacja rur próżniowych (na podstawie [36,37]): a) cylindryczny absorber (typu

Sydney); b) płaski absorber; c) rurka ciepła; d) rura w rurze; e) u-rurka.

Wybrany typ KPR składał się z rozdzielacza hydraulicznego wyposażonego w rury

próżniowe z cylindrycznym absorberem i rurką ciepła (rysunek 3.4c). Cylindryczny absorber

umożliwiał umieszczenie PCM we wnętrzu rury próżniowej, która wyposażona była w rurkę ciepła.

Za pośrednictwem rurki ciepła, która wykorzystywała ciepło przemiany fazowej

parowania/skraplania znajdującego się w niej czynnika roboczego, ciepło przepływało z absorbera

oraz PCM do obiegu nośnika ciepła w rozdzielaczu [36]. Ponadto, rurka ciepła stanowiła znaczące

udogodnienie podczas umieszczania materiału zmiennofazowego we wnętrzu absorbera, gdyż tzw.

„suche połączenie” umożliwiało montaż i demontaż rur bez potrzeby opróżniania instalacji

hydraulicznej stanowiska badawczego. Jako PCM zastosowano hydrorafinowaną parafiną

techniczną, którą opisano w podrozdziale 3.1.2. Jednakże, istotną wadą parafin jest stosunkowo niski

współczynnik przewodzenia ciepła (0,21 W ∙ m−1 ∙ K−1), który mógł wpłynąć szczególnie

niekorzystnie na przejmowanie ciepła przez fazę stałą parafiny. Zwiększenie ilości ciepła

przenikającego przez warstwę parafiny umożliwiał materiał o wysokim współczynniku

przewodzenia ciepła w postaci wyprofilowanej blachy aluminiowej (λ=200 W ∙ m−1 ∙ K−1)

umieszczonej we wnętrzu rury próżniowej. Ponadto, blacha aluminiowa zwiększała powierzchnię

wymiany ciepła pomiędzy absorberem, parafiną i rurką ciepła. Przekrój rury próżniowej z parafiną

przedstawiono na rysunku 3.5.

8

Rys. 3.5. Przekrój rury próżniowej z parafiną: 1 – rurka ciepła; 2 – szklana osłona absorbera; 3 –

absorber; 4 – próżnia; 5 – wyprofilowana blacha aluminiowa; 6 – parafina, jako PCM

Z uwagi na fakt, iż istniała możliwość nierównomiernego ogrzewania parafiny wewnątrz

rury próżniowej, po wykonaniu badań wstępnych, zdecydowano się wprowadzić modyfikację

optycznych właściwości kolektora poprzez umieszczenie parabolicznego reflektora skupiającego

także energię promieniowania słonecznego na zacienionej powierzchni rur próżniowych. W ten

sposób parafani mogła być ogrzewana bardziej równomiernie, również od zacienionej strony rury

próżniowej, co zostało przedstawione na rysunku 3.6.

Rys. 3.6. Ideowy schemat ogrzewania PCM wewnątrz rury próżniowej: a) bez reflektora;

b) z reflektorem.

9

4. METODYKA BADAŃ

Badania podzielono na 3 części:

o Badania wstępne (eksperymentalne)

o Analiza porównawcza parametrów pracy instalacji c.w.u. wyposażonej w klasyczny KPR

oraz KPR/PCM

o Analiza wpływu zastosowania KPR/PCM na zapotrzebowanie na nieodnawialną energię

pierwotną instalacji c.o. wyposażonej w pompę ciepła.

W ramach badań wstępnych określono wpływ umieszczenia parafiny technicznej wewnątrz

rur próżniowych na uzysk cieplny KPR. W tym celu, przeprowadzono badania eksperymentalne

kolektora próżniowo-rurowego z parafiną oraz kolektora bez parafiny, jako kolektora

referencyjnego, w tych samych warunkach, które zostały przedstawione w tabeli 4.1.

Tabela 4.1. Warunki w trakcie badań eksperymentalnych.

Parametr Wartość

Natężenie promieniowania słonecznego, I, W ∙ m−2 900 ±25

Temperatura powietrza otaczającego kolektor, ta, ˚C 30 ±1

Strumień masy nośnika ciepła na metr kwadratowy kolektora, ��, kg ∙ s−1 0,02

Czas trwania serii pomiarowej, τ, min 250

Początkowa temperatura nośnika ciepła, tm, ˚C 30±1

Ponadto, w przypadku KPR/PCM przeprowadzono również dwie serie pomiarowe

(z chłodzeniem i bez chłodzenia nośnika ciepła) cyklu rozładowania zmagazynowanego

w parafinie ciepła w warunkach braku natężenia promieniowania słonecznego

(I=0 W ∙ m−2). Temperatura początkowa parafiny w cyklu rozładowania wynosiła

90˚C ±1 K. Badania prowadzono dla różnych wartości strumienia masy (0,03 oraz

0,06 kg ∙ s−1 w przeliczeniu na metr kwadratowy pola powierzchni kolektora próżniowo-rurowego)

w celu określenia wpływu tego parametru na temperaturę nośnika ciepła i ilość uzyskanego ciepła

z KPR/PCM.

W kolejnym etapie badań wstępnych wyznaczono charakterystyczne parametry pracy KPR

oraz KPR/PCM. Sprawność cieplną oraz współczynniki strat ciepła kolektora słonecznego

wyznaczono eksperymentalnie na podstawie pomiarów: natężenia promieniowania słonecznego,

strumienia masy nośnika ciepła, temperatury otoczenia, temperatury nośnika ciepła na wlocie

i wylocie z kolektora słonecznego. Dopuszczalne odchylenia mierzonych parametrów przedstawiono

w tabeli 4.2.

Tabela 4.2. Dopuszczalne odchylenia mierzonych parametrów.

Mierzony parametr Dopuszczalne odchylenie

Natężenie promieniowania słonecznego, I, W ∙ m−2 ±25

Temperatura otoczenia, ta, ˚C ±1

Temperatura na wlocie kolektora, tin, ˚C ±0,1

W przypadku KPR/PCM wyznaczono zależności sprawności ładowania od natężenia

promieniowania słonecznego umożliwiało określenie temperatury parafiny w warunkach

10

rzeczywistych, przy zmiennym natężeniu promieniowania słonecznego. Badania przeprowadzono

przy różnych wartościach natężenia promieniowania słonecznego oraz stałej wartości strumienia

masy nośnika ciepła i temperatury powietrza otaczającego kolektor. Warunki badań przedstawiono

w tabeli 4.3.

Tabela 4.3. Warunki badań sprawności ładowania KPR/PCM.

Parametr Wartość

Natężenie promieniowania słonecznego, I, W ∙ m−2 1000, 800, 600, 400

Strumień masy nośnika ciepła na metr kwadratowy kolektora, m, kg ∙ s−1 0,02

Temperatura powietrza otaczającego kolektor, ˚C 30

W ramach analiza porównawczej parametrów pracy instalacji c.w.u. wyposażonej

w klasyczny KPR oraz KPR/PCM przyjęto założenia projektowe przedstawione w tabeli 4.4.

Instalacja c.w.u. składała się z zasobnika c.w.u. o objętości 0,2 m3, który zasilany był KPR/PCM

i KPR o polu powierzchni apertury wynoszącym 6 m2. Założono, że z instalacji c.w.u korzystać będą

4 osoby, które w ciągu doby zużywają 35 dm3 ciepłej wody użytkowej. Projektowa temperatura

ciepłej wody użytkowej wynosiła 45˚C, gdyż w instalacjach zasilanych odnawialnymi źródłami

energii jest to poziom akceptowalny [38].

Tabela 4.4. Założenia projektowe instalacji c.w.u..

Parametr Wartość

Objętość zasobnika, Vzas, m3 0,2

Powierzchnia apertury KPR/PCM oraz KPR, AA, m2 6

Jednostkowe dobowe zużycie c.w.u., vcwu, dm3/os. 35

Liczba użytkowników, L, os. 4

Projektowa temperatura c.w.u., tcwu, ˚C 45

Temperatura zimnej wody, tzw, ˚C 10

Maksymalna temperatura wody w zasobniku tzas,max, ˚C 90

Maksymalna temperatura parafiny w kolektorze tpcm,max, ˚C 100

Do przeprowadzenia obliczeń wykorzystano dane meteorologiczne (temperatura zewnętrzna

tot’) oraz natężenie promieniowania słonecznego I dla typowego roku meteorologicznego dla miasta

Częstochowy [39]. Dane meteorologiczne warunkowały interwał czasowy przyjęty dla obliczeń,

który wynosił 1 godzinę. Zapotrzebowanie na ciepło uwzględniało średnioroczny godzinowy profil

rozbioru ciepłej wody w dni robocze i weekendy, które wyznaczono na podstawie modelu IEA –

Task 26 [40,41]. Ponadto, do obliczeń przyjęto, że średnia temperatury nośnika ciepła w kolektorach

słonecznych jest równa temperaturze wody w zasobniku 𝑡𝑚 = 𝑡𝑧𝑎𝑠 oraz pominięto stratyfikację

termiczną zasobnika c.w.u.. Schemat ideowy instalacji c.w.u. zasilanej KPR i KPR/PCM

przedstawiono na rysunku 4.2.

11

Rys. 4.2. Schemat ideowy instalacji c.w.u.

Efekt zastosowania parafiny w kolektorze próżniowo rurowym w instalacji c.w.u. określono

wyznaczając udział energii promieniowania słonecznego na cele c.w.u. na podstawie takich

parametrów jak: chwilowe zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania c.w.u., temperatura wody

w zasobniku c.w.u.; temperatura nośnika ciepła w KPR; parafiny i nośnika ciepła w KPR/PCM.

W ramach wykonania analizy wpływu zastosowania KPR/PCM na zapotrzebowanie na

nieodnawialną energię pierwotną budynku do celów c.o. przyjęto dwa warianty instalacji c.o.:

Wariant I – pompa ciepła glikol – woda z zasobnikiem buforowym (wariant referencyjny)

Wariant II – pompa ciepła glikol – woda z układem kolektorów próżniowo-rurowych

z parafiną

Założenia projektowe systemu budowlano-instalacyjnego będącego przedmiotem analizy

przedstawiono w tabeli 4.5. Obiektem analizy był budynek jednorodzinny

o polu powierzchni ogrzewanych pomieszczeń wynoszącym 150 m2, który zlokalizowany był na

terenie miasta Częstochowy. Analizę przeprowadzono dla wartości jednostkowego projektowego

obciążenia cieplnego w zakresie od 10 do 100 W ∙ m−2 oraz pól powierzchni apertury instalacji

KPR/PCM w przedziale od 5 do 30 m2) wspomagającej pompę ciepła. Budynek wyposażony był

w instalację c.o. zasilaną pompą ciepła z dolnym źródłem ciepła w postaci gruntowego wymiennika

ciepła w wariancie referencyjnym oraz pompą ciepła wspomaganą kolektorem słonecznym

zintegrowanym z parafiną w wariancie II.

Założono dwa rodzaje instalacji niskotemperaturowych:

a) niskotemperaturową, o parametrach zasilania i powrotu 45/35˚C,

b) skrajnie niskotemperaturową, o parametrach zasilania i powrotu 35/25 ˚C.

Niskie parametry pracy w porównaniu z tradycyjną instalacją c.o. spowodowały, że wymagane było

zwiększenie pola powierzchni grzejników. Dlatego też, w budynku zastosowano ogrzewanie

płaszczyznowe (podłogowe). Założono regulację jakościową. Na potrzeby analizy pracy instalacji

c.o. w sezonie grzewczym wyznaczono krzywe grzewcze dla typowego roku meteorologicznego

[39].

12

Tabela 4.5. Założenia projektowe instalacji c.o.

Parametr Opis

Lokalizacja budynku Częstochowa

Powierzchnia ogrzewanych pomieszczeń 150 m2

Temperatura wewnątrz ogrzewanych

pomieszczeń

20˚C

Charakterystyka instalacji c.o. - ogrzewanie podłogowe, centralne wodne z

lokalnego źródła ciepła usytuowanego w

ogrzewanym budynku z zaizolowanymi

przewodami, armaturą i urządzeniami, które

są zainstalowane w pomieszczeniach

ogrzewanych

- parametry pracy instalacji c.o.

(zasilanie/powrót): 45/35˚C oraz 35/25˚C

Jednostkowe projektowe obciążenie cieplne 10, 20, …, 100 W ∙ m−2

Pole powierzchni apertury KPR/PCM 5, 10, …, 30 m2

Schemat ideowy instalacji c.o. budynku przedstawiono na rysunku 4.2.

Rys. 4.2. Schemat ideowy instalacji c.o.

Układ kolektora słonecznego z parafiną (5), który w wariancie drugim zastąpił zasobnik

wodny (2), połączony był z instalacją c.o. (4) za pośrednictwem przeponowego wymiennika ciepła

(6) oraz rozdzielaczy hydraulicznych (3). Założono, że kolektory próżniowo-rurowe z parafiną

KPR/PCM (5) wspomagały pompę ciepła w instalacji c.o. (4), gdy różnica temperatur pomiędzy

nośnikiem ciepła w KRP/PCM a powrotem instalacji c.o. wynosiła 4K (∆𝑡𝑚𝑖𝑛 = 4𝐾), czyli

13

zachodził warunek: 𝑡𝑚 ≥ 𝑡𝑝′ + ∆𝑡𝑚𝑖𝑛. Taki system sterowania instalacją słoneczną przedstawiono

m.in. w pracy [42].

W celu określenia efektu zmniejszenia zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną

systemu budowlano-instalacyjnego za pośrednictwem KPR/PCM wyznaczono krzywe grzewcze dla

poszczególnych wariantów koncepcyjnej instalacji c.o. oraz udziały KPR/PCM oraz pompy ciepła

w pokryciu zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną budynku wg metodyki zawartej

w [43].

14

5. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA

5.1. Badania wstępne procesu magazynowania ciepła w kolektorze próżniowo-

rurowym z wykorzystaniem ciepła przemian fazowych parafiny

Analiza zmierzonego rozkładu temperatur nośnika ciepła i parafiny w cyklu ładowania

KPR/PCM wykazała, że parafina przejmując ciepło z absorbera, pomimo iż obniżyła szybkość

wzrostu temperatury nośnika ciepła w kolektorze próżniowo-rurowym, pozwoliła na uzyskanie

użytkowego poziomu temperatury nośnika ciepła (45˚C) co przedstawiono na rysunku 5.1.

Szczególnie widoczne było to w początkowej fazie cyklu ładowania, gdy parafina była ciałem stałym

i przepływ ciepła wewnątrz rur próżniowych był głównie wynikiem przewodzenia. Roztopienie

parafiny zwiększyło udział konwekcji podczas przejmowania ciepła z absorbera, co spowodowało

szybszy wzrost jej temperatury. Jednakże, tworząca się wokół zewnętrznej powierzchni rurki ciepła

przyścienna warstwa fazy stałej parafiny ograniczała przejmowanie ciepła przez czynnik roboczy

w rurce ciepła, który pośredniczył w przepływie ciepła z parafiny i absorbera do nośnika ciepła

w rozdzielaczu hydraulicznym kolektora próżniowo-rurowego. Powodowało to, że wzrost szybkości

ogrzewania nośnika ciepła nastąpił dopiero, gdy jego temperatura przekroczyła wartość początkowej

temperatury topnienia parafiny (ok. 51-52˚C). Maksymalna wartość średniej temperatury nośnika

ciepła uzyskane dla KPR/PCM wyniosła 63,8˚C i była niższa niż w przypadku klasycznego KPR

(76,2˚C). W przypadku serii pomiarowej bez chłodzenia nośnika ciepła temperatura parafiny

charakteryzowała się większą dynamiką wzrostu niż w przypadku serii pomiarowej z włączonym

obiegiem nośnika ciepła co widać na rysunku 5.2. W efekcie tego, że nośnik ciepła nie przejmował

ciepła z rurki ciepła, w warunkach konwekcji wymuszonej, mniejsza ilość ciepła przepływała

z parafiny do rurki ciepła. Ponadto, spadek ilości ciepła przejmowanego przez rurkę ciepła

spowodował wzrost szybkości ogrzewania parafiny.

Rys. 5.1. Temperatura nośnika ciepła w funkcji czasu, cykl ładowania

15

Rys. 5.2. Temperatura parafiny w funkcji czasu, cykl ładowania

W cyklu rozładowania możliwe było uzyskanie minimalnej temperatury użytkowej dla

instalacji grzewczej wynoszącej 45˚C po 10 minutach okresu pomiarowego co widać na rysunku 5.3.

Krótszy niż w przypadku cyklu ładowania czas uzyskania użytkowej temperatury nośnika ciepła w

cyklu rozładowania spowodowany był wyższą początkową różnicą temperatur parafina – nośnik

ciepła, która wynosiła 57-58K. Ponadto, pomimo że w początkowej fazie wartość temperatury

nośnika ciepła była znacząco poniżej temperatury onset topnienia parafiny, rozgrzana w cyklu

ładowania powierzchnia rurki ciepła oraz wysoka temperatura parafiny nie powodowały

powstawania przyściennej warstwy fazy stałej parafiny, nie ograniczając tym samym przepływu

ciepła z parafiny do czynnika roboczego w rurce ciepła, a następnie nośnika ciepła. Na rysunku 5.3.

można również zaobserwować, że wartość strumienia masy odniesiona do metra kwadratowego

kolektora nie miała znaczącego wpływu na temperaturę nośnika ciepła.

Rys. 5.3. Temperatura nośnika ciepła w funkcji czasu, cykl rozładowania

Na podstawie analizy uzysku cieplnego KPR i KPR/PCM, stwierdzono, że integracja

kolektora próżniowo-rurowego z parafiną, jako PCM, przyczyniła się do zwiększenia uzysku

16

cieplnego z energii promieniowania słonecznego w zakresie od 45% do 79% (od 26 do 52 kJ),

w porównaniu do instalacji z kolektorem próżniowo-rurowym pracującym bez parafiny, co zostało

przedstawione na rysunku 5.4. Należy zaznaczyć, że jak przedstawiono na rysunku 5.5, w przypadku

KPR/PCM bez reflektora uzysk cieplny w cyklu rozładowania stanowił 50% (48 kJ przy strumieniu

masy nośnika ciepła 0,03 kg ∙ s−1) oraz 59% (70 kJ przy strumieniu masy nośnika ciepła

0,06 kg ∙ s−1). W przypadku KPR/PCM z reflektorem wzrost uzysku cieplnego w cyklu ładowania

spowodował spadek udziału ciepła uzyskanego w cyklu rozładowania (36% i 45% dla strumienia

masy nośnika ciepła wynoszących odpowiednio 0,03 i 0,06 kg ∙ s−1). Spowodowane było to

wpływem reflektora na wzrost uzysku cieplnego KPR/PCM jedynie w cyklu ładowania, czyli

w okresie w którym istniała możliwość skupiania promieniowania słonecznego na zacienionej

powierzchni rur próżniowych.

Rys. 5.4. Wpływ reflektora na całkowitą ilość ciepła uzyskaną z KPR i KPR/PCM.

Rys. 5.5. Uzysk cieplny KPR i KPR/PCM w cyklu ładowania i rozładowania.

Zastosowanie reflektora parabolicznego o niskim stopniu koncentracji w KPR/PCM

przyczyniło się do zwiększenia uzysku cieplnego z energii promieniowania słonecznego w zakresie

od 31% do 38%. Podczas samego cyklu ładowania (rysunek 5.5) zastosowanie reflektora

17

parabolicznego przyniosło większy wzrost uzysku cieplnego, który w przypadku KPR/PCM i KPR

wyniósł odpowiednio 75% i 61%.

5.2. Charakterystyczne parametry pracy kolektora próżniowo-rurowego

zintegrowanego z parafiną

W celu określenie charakterystyki cieplnej KPR i KPR/PCM istniała potrzeba wyznaczenia

ich charakterystycznych parametrów pracy takich jak: sprawność cieplna, sprawność ładowania oraz

współczynniki strat ciepła. Współczynniki strat ciepła wyznaczono na podstawie krzywej sprawności

cieplnej KPR w funkcji zredukowanej różnicy temperatur. Na podstawie 16 punktów pomiarowych

dla 4 różnych wartości zredukowanej różnicy temperatur, metodą wielokrotnej regresji liniowej

wyznaczono współczynniki strat ciepła a1 i a2 oraz sprawność optyczną, co zostało przedstawione na

rysunku 5.6. Uzyskana wartość sprawności optycznej wyniosła 43,2%; współczynniki strat ciepła

a1=2,43 W ∙ m−2 ∙ K−1 oraz a2=0,0081 W ∙ m−2 ∙ K−2. Krzywa sprawności cieplnej pozwalała

określić wpływ czynników takich jak natężenie promieniowania słonecznego oraz temperatura

powietrza otaczającego kolektor na jego moc cieplną.

Rys. 5.6. Krzywa sprawności cieplnej w funkcji zredukowanej różnicy temperatur dla KPR.

Wpływ natężenia promieniowania słonecznego na sprawność ładowania KPR/PCM dla

charakterystycznych przedziałów temperaturowych uwzględniających przemiany fazowe parafiny

wyznaczono dopasowując krzywe metodą regresji liniowej. Wyniki przedstawiono na rysunku 5.7.

W temperaturze poniżej 51˚C, czyli w zakresie, w którym parafina była ciałem stałym, nie

zauważono znaczącego wpływu zmian natężenia promieniowania słonecznego na sprawność

ładowania KPR/PCM. Przy wartościach natężenia promieniowania słonecznego od 400 W ∙ m−2 do

1000 W ∙ m−2, sprawność ładowania utrzymywała się na stabilnym poziomie 42%. Spadek

sprawności ładowania KPR/PCM zaobserwowano w zakresie temperatur parafiny 51-58˚C, czyli

w pierwszym etapie przemiany fazowej c. stałe – ciecz. W tym zakresie temperatur odnotowano

również większy wpływ natężenia promieniowania słonecznego na sprawność ładowania

KPR/PCM. Wraz ze wzrostem natężenia promieniowania słonecznego od 400 W ∙ m−2 do

1000 W ∙ m−2, wzrastała sprawność ładowania od 33% do 40%. Większy wpływ natężenia

promieniowania słonecznego na sprawność ładowania KPR/PCM odnotowano po piku przemiany

fazowej c. stałe – ciecz, czyli w zakresie temperatur parafiny od 58-65˚C. Zaobserwowano również

wzrost średniej sprawności ładowania, która mieściła się w zakresie od 46% (dla I=400 W ∙ m−2) do

18

55% (dla I=1000 W ∙ m−2). Powyżej temperatury parafiny wynoszącej 65˚C odnotowano dalszy

wzrost średniej wartości sprawności ładowania KPR/PCM. Zawierała się ona w zakresie od 56%

(I=400 W ∙ m−2) do 66% (I=1000 W ∙ m−2). Należy zauważyć, że wpływ natężenia promieniowania

słonecznego na średnią sprawność ładowania KPR/PCM wzrastał wraz z rosnącą temperaturą

parafiny. Ponadto powyżej punktu maksymalnego przemiany fazowej c. stałe – ciecz, wraz z rosnącą

temperaturą parafiny wrastały również średnie sprawności ładownia KPR/PCM.

Rys. 5.7. Średnie sprawności ładowania KPR/PCM w funkcji natężenia promieniowania

słonecznego.

Charakterystyczne parametry pracy KPR i KPR/PCM pozwoliły na przeprowadzenie analizy

zastosowania ich w instalacji grzewczej budynku (instalacji c.w.u. oraz instalacji c.o.).

5.3. Analiza zastosowania kolektora próżniowo-rurowego

z parafiną w instalacji c.w.u.

Problematyka związana z pracą instalacji c.w.u. zasilanej KPR i KPR/PCM obejmuje

rozbieżności pomiędzy zapotrzebowaniem na ciepło do celów c.w.u. a dostępnością energii

promieniowania słonecznego. Rozbieżności te, charakteryzują znaczące zmiany w cyklu

godzinowym spowodowane zmiennym rozbiorem c.w.u. przedstawionym na rysunku 5.8. Dlatego

też, w celu wykazania wpływu magazynowania ciepła z wykorzystaniem przemian fazowych

parafiny w kolektorze próżniowo-rurowym na parametry pracy instalacji c.w.u. istniała potrzeba

przeprowadzenia obliczeń dla kolejnych godzin typowego roku meteorologicznego.

Ze względu na dużą zmienność temperatury wody w zasobniku c.w.u. zasilanego przez KPR

i KPR/PCM nie było możliwe przedstawienie w sposób czytelny i jednoznaczny

charakterystycznych trendów umożliwiających wykazanie wpływu magazynowania ciepła

z wykorzystaniem przemian fazowych parafiny w kolektorze próżniowo-rurowym na

charakterystyczne parametry pracy instalacji c.w.u. Dlatego też, na rysunkach 5.9-5.12

zaprezentowano uzyskane wyniki dla typowego dnia zawierającego średnie godzinowe wartości

temperatury wody w zasobniku c.w.u. i otoczenia oraz natężenia promieniowania słonecznego

z poszczególnych, charakterystycznych okresów typowego roku meteorologicznego dla miasta

Częstochowy (cały rok, półrocze letnie, półrocze zimowe, sezon letni).

19

Rys. 5.8. Średnioroczny, godzinowy udział zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową wg IEA

Task 32.

Na rysunku 5.9 przedstawiono średnie godzinowe wartości temperatury wody w zasobniku

zasilanym przez KPR i KPR/PCM w ciągu typowego dnia dla całego roku meteorologicznego.

W okresie od 15:00 do 9:00 temperatura wody w zasobniku c.w.u. zasilanym przez KPR/PCM była

wyższa niż temperatura wody w zasobniku c.w.u. zasilanym przez klasyczny KPR średnio o 4,6 K.

Należy zaznaczyć, że na okres ten, przypada 81,6% zapotrzebowania na ciepło na potrzeby c.w.u.

w dni robocze oraz 74,7% w weekendy (rysunek 5.8). W pozostałym okresie tj. w godzinach 10:00

do 14:00 temperatura wody w zasobniku c.w.u. zasilanym przez klasyczny KPR była wyższa średnio

zaledwie o 1,8 K. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż w okresie typowego dnia dla całego roku

meteorologicznego średnia godzinowa temperatury wody w zasobniku c.w.u. nie osiągała założonej

projektowej temperatury c.w.u. zarówno w przypadku KPR (maksymalna tzas=31,2˚C) i KPR/PCM

(maksymalna tzas=34,2˚C). Jednakże, mając na uwadze, że natężenie promieniowania słonecznego

oraz temperatura otoczenia charakteryzują się znaczącymi zmianami w ciągu roku, na rysunkach

5.10 i 5.11 rozpatrzono oddzielnie typowe dni dla półrocza letniego (kwiecień-wrzesień) oraz

półrocza zimowego (październik-marzec).

Rys. 5.9. Średnie godzinowe temperatury wody w zasobniku i otoczenia oraz natężenia

promieniowania słonecznego w ciągu typowego dnia dla całego roku meteorologicznego.

20

W ciągu typowego dnia dla półrocza letniego (rysunek 5.10) średnia godzinowa temperatura

wody w zasobniku c.w.u. zasilanym przez KPR/PCM osiągnęła wartość projektowej temperatury

c.w.u. (ok. 45˚C) w godzinach od 16:00 do 21:00, czyli w okresie wieczornego piku, na który

przypada 33,7% dziennego zapotrzebowania na ciepło na potrzeby c.w.u. w dni robocze oraz 31,9%

w weekendy (rysunek 5.8). W przypadku KPR średnia godzinowa temperatura wody w ciągu doby

nie osiągnęła projektowej temperatury c.w.u. Należy zaznaczyć, że w porównaniu z całym

rokiem, okres półrocza letniego charakteryzował się wyższymi temperaturami wody w zasobniku

c.w.u., co było spowodowane większym średnim natężeniem promieniowania słonecznego oraz

wyższymi średnimi temperaturami otoczenia. Temperatura wody w zasobniku c.w.u. zasilanym

przez KPR/PCM była wyższa średnio o 6,3 K (15:00-9:00) w porównaniu z zasobnikiem c.w.u.

zasilanym przez klasyczny KPR.

Rys. 5.10. Średnie godzinowe temperatury wody w zasobniku i otoczenia oraz natężenia

promieniowania słonecznego w ciągu typowego dnia dla półrocza letniego (IV-IX).

W typowym dniu półrocza zimowego (rysunek 5.11) występowały znacząco niższe wartości

temperatury otoczenia oraz natężenia promieniowania słonecznego połączone z krótszym czasem

jego dostępności w ciągu doby. Spowodowało to, że średnia temperatura wody w zasobniku c.w.u.

nie przekraczała 19˚C w przypadku KPR oraz 22˚C w przypadku KPR/PCM. Należy jednak

zaznaczyć, że przez okres 20 godzin (14:00 – 9:00) temperatura wody w zasobniku c.w.u. zasilanym

przez KPR/PCM była wyższa średnio o 2,8 K. W okresie tym zapotrzebowanie na ciepło na potrzeby

c.w.u. wynosiło 84,8% w dni robocze oraz 80,2% w weekendy (rysunek 5.8).

21

Rys. 5.11. Średnie godzinowe temperatury wody w zasobniku i otoczenia oraz natężenia

promieniowania słonecznego w ciągu typowego dnia dla półrocza zimowego (X-III).

Temperatura wody w zasobniku zasilanym przez KPR/PCM osiągnęła projektową

temperaturę c.w.u. w godzinach od 15:00 do 23:00 (8 godzin), co odpowiadało 43,1%

zapotrzebowaniu na ciepło w dni robocze oraz 41% zapotrzebowaniu w weekendy (rysunek 5.8).

Było to wynikiem korzystniejszym niż w przypadku zasobnika c.w.u. zasilanego klasycznym KPR,

ponieważ temperatura znajdującej się w nim wody osiągnę projektową temperaturę c.w.u.

w godzinach 13:00-18:00 (6 godzin), w czasie w którym zapotrzebowanie na ciepło wynosiło 24,7%

w dni robocze oraz 24,5% w weekendy. Ponadto, temperatura wody w zasobniku c.w.u. zasilanym

przez KPR/PCM była wyższa średnio o 5,9 K w godzinach od 16:00 do 9:00 od temperatury wody

w zasobniku c.w.u. zasilanym przez KPR. Należy zauważyć, że w okresie od 13:00 do 7:00

(21 godzin) temperatura wody w zasobniku c.w.u. zasilanym przez KPR/PCM była równa lub

większa niż 40˚C, podczas gdy w przypadku KPR okres ten mieścił się w godzinach od 11:00 do

21:00 (11 godzin).

Rys. 5.12. Średnie godzinowe temperatury wody w zasobniku i otoczenia oraz natężenia

promieniowania słonecznego w ciągu typowego dnia dla sezonu letniego (VI-VIII).

22

Na rysunku 5.13 przedstawiono udział energii promieniowania słonecznego

w przygotowaniu c.w.u. fsol w typowym roku meteorologicznym miasta Częstochowy. KPR/PCM

wykazał wyższy udział energii promieniowania słonecznego w każdym miesiącu typowego roku

meteorologicznego w porównaniu z KPR.

Rys. 5.13. Udział energii promieniowania słonecznego w przygotowaniu c.w.u.

W przypadku KPR/PCM udział promieniowania słonecznego w przygotowaniu c.w.u.

przekraczał 50% w okresie od kwietnia do września mieszcząc się w zakresie od 58%

w kwietniu do 89% w lipcu. W przypadku KPR okres, w którym udział energii promieniowania

słonecznego w przygotowaniu c.w.u. przekraczał 50% był krótszy i trwał od maja do sierpnia

mieszcząc się w zakresie od 63% w sierpniu do 87% w lipcu. Należy zauważyć, że na okres od

kwietnia do września przypada 71% średniej dziennej sumy natężenia promieniowania słonecznego

w ciągu typowego roku meteorologicznego, podczas gdy w okresie od maja do sierpnia już tylko

51%. Najniższy udział energii romieniowania słonecznego na cele c.w.u. odnotowano dla okresu

od listopada do lutego, w którym nie przekroczył on 20%. Najwyższy udział w tym okresie

odnotowano w lutym dla KPR/PCM i wyniósł on 17% (13% w przypadku KPR), najniższy

w grudniu, który zarówno w przypadku KPR/PCM jak i KPR wyniósł 5%. W okresie od marca do

października średnia różnica w udziałach energii promieniowania słonecznego w przygotowaniu

c.w.u. pomiędzy instalacją zasilaną KPR/PCM a KPR wyniosła 21%. Na okres ten przypada 85%

średniej dziennej sumy natężenia promieniowania słonecznego w ciągu typowego roku

meteorologicznego dla miasta Częstochowy. W ciągu całego roku meteorologicznego miasta

Częstochowy wykorzystanie ciepła przemian fazowych parafiny w procesie magazynowania ciepła

w kolektorze próżniowo-rurowym doprowadziło do zwiększenia o 20,5% rocznego udziału energii

promieniowania słonecznego w przygotowaniu c.w.u.

23

5.4. Analiza zastosowania kolektora próżniowo-rurowego z parafiną w

instalacji c.o.

Celem analizy było wykazanie wpływu zastosowania KPR/PCM w instalacji c.o. na jej

zapotrzebowanie na nieodnawialną energię pierwotną. Jak widać na rysunkach 5.14 i 5.15, wraz ze

wzrostem pola powierzchni apertury KPR/PCM w stosunku do pola powierzchni ogrzewanych

pomieszczeń (AA/Af) w zakresie 0,03 – 0,2 uzyskano wzrost względnego efektu obniżenia

wskaźnika Ep, który mieścił się w zakresie 7-27% dla parametrów pracy instalacji c.o. (35/25˚C)

oraz w zakresie 6-23% dla parametrów pracy instalacji c.o. (45/35˚C).

Rys. 5.14. Względny efekt obniżenia wskaźnika Ep w zależności od AA/Af

- instalacja c.o. 35/25˚C.

Rys. 5.15. Względny efekt obniżenia wskaźnika Ep w zależności od AA/Af

- instalacja c.o. 45/35˚C.

Ponadto, względny efekt obniżenia wskaźnika Ep wzrastał wraz ze wzrostem

zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną oraz wzrostem pola powierzchni apertury

KPR/PCM w stosunku do pola powierzchni ogrzewanych pomieszczeń. Zwiększanie wartości pola

24

powierzchni apertury KPR/PCM w stosunku do pola powierzchni ogrzewanych pomieszczeń

powodowało najmniejszy wzrost względnego efektu obniżenia wskaźnika Ep przy najniższym

zapotrzebowaniu na energię pierwotną budynku referencyjnego wynoszącego 48,59 kWhˑm-2/rok

(rysunki 5.14 i 5.15) oraz najniższym jednostkowym obciążeniu cieplnym wynoszącym 10 Wˑm-2

(rysunki 5.16 oraz 5.17). Zależność ta występowała bez względu na parametry pracy instalacji c.o.

Jak widać na rysunkach 5.16 oraz 5.17, najwyższy względny efekt obniżenia wskaźnika Ep uzyskano

przy jednostkowym, projektowym obciążeniu cieplnym wynoszącym 40 Wˑm-2 oraz najwyższej

wartości AA/Af wynoszącej 0,2 bez względu na parametry pracy instalacji c.o. Największy wzrost

względnego efektu obniżenia wskaźnika Ep uzyskano poprzez wzrost wartość AA/Af z 0,03 do 0,07.

Rys. 5.16. Względny efekt obniżenia wskaźnika Ep w zależności od jednostkowego projektowego

obciążenia cieplnego - instalacja c.o. 35/25˚C.

Rys. 5.17. Względny efekt obniżenia wskaźnika Ep w zależności od jednostkowego projektowego

obciążenia cieplnego - instalacja c.o. 45/35˚C.

Analiza rozpatrywanych wariantów koncepcyjnej instalacji c.o. wykazała efekt

zastosowania KPR/PCM w celu magazynowania ciepła z wykorzystaniem ciepła przemian fazowych

w postaci obniżenia zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną w każdym

rozpatrywanym przypadku, niezależnie od charakterystycznych parametrów pracy systemu

budowlano-instalacyjnego.

25

6. WNIOSKI KOŃCOWE

Na podstawie przeprowadzonych badań i analizy ich wyników sformułowano następujące

wnioski końcowe:

1. Wykorzystanie ciepła przemian fazowych parafiny w procesie magazynowania ciepła

w kolektorze próżniowo-rurowym prowadzi do zwiększenia udziału energii promieniowania

słonecznego w pokryciu zapotrzebowania na ciepło użytkowe systemu budowlano-

instalacyjnego a tym samym zmniejszenia jego zapotrzebowania na nieodnawialną energię

pierwotną.

2. Dla typowego roku meteorologicznego miasta Częstochowy wykorzystanie ciepła przemian

fazowych parafiny w procesie magazynowania ciepła w kolektorze próżniowo-rurowym

prowadzi do zwiększenia o 20,5% rocznego udziału energii promieniowania słonecznego

w przygotowaniu c.w.u..

3. Zastosowanie zaproponowanej metody magazynowania ciepła z wykorzystaniem parafiny

w kolektorze próżniowo-rurowym pozwala na uzyskanie wyższych temperatur wody

w zasobniku c.w.u. w okresie największego zapotrzebowania na c.w.u. oraz najniższych

wartości natężenia promieniowania słonecznego w porównaniu z instalacją c.w.u. zasilaną

przez klasyczny kolektor próżniowo-rurowy.

4. Dla typowego roku meteorologicznego miasta Częstochowy zastosowanie kolektora

próżniowo-rurowego zintegrowanego z materiałem zmiennofazowym w postaci parafiny

pozwala na obniżenie zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną instalacji c.o.,

w zależności od jej parametrów pracy, od 6% do 27%.

5. W zakresie wartości od 0,03 do 0,07 stosunku pola powierzchni kolektorów do pola

powierzchni ogrzewanych pomieszczeń uzyskuje się największy wzrost obniżenia

zapotrzebowania na nieodnawialną energię pierwotną instalacji c.o. Stosunek pola

powierzchni kolektorów do pola powierzchni ogrzewanych pomieszczeń powyżej wartości

0,13 nie wpływa znacząco na względny efekt obniżenia wskaźnika Ep, bez względu na

parametry pracy instalacji c.o.

6. Istotnym problemem podczas cyklu ładowania KPR/PCM jest powstawanie na powierzchni

wymiennika ciepła przyściennej warstwy fazy stałej parafiny, która zwiększając opór cieplny,

ogranicza przepływ ciepła z ciekłej fazy parafiny do nośnika ciepła w instalacji słonecznej.

Jest to przyczynkiem do dalszych badań mających na celu poprawę przepływu ciepła

wewnątrz rur próżniowych.

26

LITERATURA

[1] ZHOU D., ZHAO C.Y., TIAN Y.: Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in

building applications, Applied Energy 92, 593–605, 2012

[2] SHARMA A., TYAGI V.V., CHEN C.R., BUDDHI D.: Review on thermal energy storage with phase change

materials and applications, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, 318–345, 2009

[3] FELIŃSKI P., TURSKI M., SEKRET R., Magazynowanie ciepła niskotemperaturowego powstałego w wyniku

konwersji fototermicznej. Część I, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo I Wentylacja nr 10, 416-420, 2013

[4] HAUER A.: Sorption theory for thermal energy storage. Thermal energy storage for sustainable energy

consumption, Netherlands: Springer, 393–408, 2007

[5] BALES C., GANTENBEIN P., JAENIG D., WEBER R.: Laboratory prototypes of thermo-chemical and

sorption storage units, Report B3—IEA SHC Task 32.International Energy Association, 2007

[6] N’TSOUKPOE K.E., LIU H., LE PIERRE` S N., LUO L.: A review on long-term sorption solar energy storage,

Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, 2385–2396, 2009

[7] CABEZA L.F., CASTELL A., BARRENECHE C., DE GRACIA A., FERNÁNDEZ A.I.: Materials used as

PCM in thermal energy storage in buildings: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 1675–

1695, 2011

[8] HASNAIN S.M.: Review on sustainable thermal energy storage technologies, part I: heat storage materials and

techniques, Energy Convers. Management 11, 1127-1138, 1998

[9] ZALBA B., MARÍN J.M., CABEZA L.F., MEHLING H.: Review on thermal energy storage with phase change:

materials, heat transfer analysis and applications, Applied Thermal Engineering 23, 251–283, 2003

[10] ANISUR M.R., MAHFUZ M.H., KIBRIA M.A., SAIDUR R., METSELAAR I.H.S.C., MAHLIA T.M.I.:

Curbing global warming with phase change materials for energy storage, Renewable and Sustainable Energy

Reviews 18, 23–30, 2013

[11] RODRIGUEZ-UBINAS E., RUIZ-VALERO L., VEGA S., NEILA J.: Applications of Phase Change Material

in highly energy-efficient houses, Energy and Buildings 50, 49–62, 2012

[12] BEHZADI S., FARID M.M.: Experimental and numerical investigations on the effect of using phase change

materials for energy conservation in residential buildings, HVAC&R Research, 17, 366–376, 2011

[13] KOMERSKA A., BIANCO L., SERRA V., FANTUCCI S., ROSIŃSKI M.: Experimental analysis of an

external dynamic solar shading integrating PCMs: First results, Energy Procedia 78, 3452-3457, 2015

[14] CHAN A.L.S.: Energy and environmental performance of building facades integrated with phase change

material in subtropical Hong Kong, Energy and Buildings 43, 2947–2955, 2011

[15] TYAGI V.V., KAUSHIK S.C., TYAGI S.K., AKIYAMA T.: Development of phase change materials based

microencapsulated technology for buildings: a review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 1373–

1391, 2011

[16] LI H., LIU X., FANG G.: Preparation and characteristics of n-nonadecane/cement composites as thermal energy

storage materials in buildings, Energy and Buildings 42, 1661–1665, 2010

[17] CABEZA L.F., IBANEZ M., SOLE C., ROCA J., NOGUES M.: Experimentation with

a water tank including a PCM module, Solar Energy Materials & Solar Cells 90, 1273–1282, 2006

[18] CHAURASIA P.B.L.: Phase change material in solar water heater storage system, Proceedings of the 8th

International Conference on Thermal Energy Storage; 2000.

[19] CANBAZOGLU S., SAHINASLAN A., EKMEKYAPAR A., AKSOY Y.G., AKARSU F.: Enhancement of

solar thermal energy storage performance using sodium thiosulfate pentahydrate of a conventional solar water-

heating system, Energy and Buildings 37, 235–42, 2005

[20] HAILLOT D., FRANQUET E., GIBOUT S., BEDECARRATS JP.: Optimization of solar DHW system including

PCM media, Applied Energy 109, 470–475, 2013

[21] PRAKASH J., GARG H.P., DATTA G.: A solar water heater with a built-in latent heat storage, Energy

Conversion Management 25, 51–56, 1985

[22] SHUKLA A.: Heat transfer studies on phase change materials and their utilization in solar water heaters, Thesis

Report, Ph.D. Energy & Environment, Indore, India: School of Energy and Environmental Studies, Devi Ahilya

University; 2006.

[23] RABIN Y., BAR-NIV I., KORIN E., MIKIC B.: Integrated Solar Collector Storage System Based On A Salt-

Hydrate Phase-Change Material, Solar Energy 55, 435-444, 1995

[24] KURKLU A., OZMERZI A., BILGIN S.: Thermal performance of a water-phase change material solar

collector, Renewable Energy 26, 391–399, 2002

27

[25] CHAABANE M., MHIRI H., BOURNOT P.: Thermal performance of an integrated collector storage solar

water heater (ICSSWH) with phase change materials (PCM), Energy Conversion and Management 78, 897–903,

2014

[26] TARHAN S., SARI A., YARDIM M.H.: Temperature distributions in trapezoidal built in storage solar water

heaters with/without phase change materials, Energy Conversion and Management 47, 2143–2154, 2006

[27] EMAN-BELLAH S., METTAWEEA, GHAZY M.R., ASSASSA: Experimental study of

a compact PCM solar collector, Energy 31, 2958–2968, 2006

[28] CHEN Z., GU M., PENG D.: Heat transfer performance analysis of a solar flat-plate collector with an integrated

metal foam porous structure filled with paraffin, Applied Thermal Engineering 30, 1967-1973, 2010

[29] SUMMERS E.K., ANTAR M.A., LIENHARD J.H.: Design and optimization of an air heating solar collector

with integrated phase change material energy storage for use in humidification–dehumidification desalination,

Solar Energy 86, 3417–3429, 2012

[30] PAPADIMITRATOS A., SOBHANSARBANDI S., POZDIN V., ZAKHIDOV A., HASSANIPOUR F.:

Evacuated tube solar collectors integrated with phase change materials, Solar Energy 129, 10–19, 2016

[31] SHENG XUE H.: Experimental investigation of a domestic solar water heater with solar collector coupled

phase-change energy storage, Renewable Energy 86, 257-261, 2016

[32] TYAGI V.V., PANDEY A.K., GIRIDHAR G., BANDYOPADHYAY B., PARK S.R., TYAGI S.K.:

Comparative study based on exergy analysis of solar air heater collector using thermal energy storage,

International Journal of Energy Research 2, 1-13, 2011

[33] REGIN A.F., SOLANKI S.C., SAINI J.S.: Heat transfer characteristics of thermal energy storage system using

PCM capsules: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews 12, 2438–2458, 2008

[34] BROADHURST M.G.: An analysis of the solid phase behavior of the normal paraffins, Journal of Research of

the National Bureau of Standards-A. Physics and Chemistry 66(3), 1962

[35] UKRAINCZYK N., KURAJICA S., ŠIPUŠIĆ J.: Thermophysical Comparison of Five Commercial Paraffin

Waxes as Latent Heat Storage Materials, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly 24 129–137, 2010

[36] FORTUIN S., STRYI-HIPP G.: Solar Collectors, Non-concentrating, Encyclopedia of Sustainability Science

and Technology, Springer, 9449-9469, 2012

[37] FELIŃSKI P., SEKRET R., Effect of incidence angle modifier on thermal efficiency of solar collectors, Journal

of Energy Science, Wrocław, 2012

[38] JORDAN U., FURBO S.: Thermal stratification in small solar domestic storage tanks caused by draw-offs, Solar

Energy, Volume 78, 291–300, 2005

[39] TYPOWE LATA METEOROLOGICZNE NA PODSTAWIE NORMY EN ISO 15927:4 –Baza danych

Ministerstwa Infrastruktury i Budownictwa:

http://mib.gov.pl/2-Wskazniki_emisji_wartosci_opalowe_paliwa.html

[40] JORDAN U., VAJEN K.: Influence Of The DHW Load Profile On The Fractional Energy Savings: A Case Study

Of A Solar Combi-System With TRNSYS Simulations, Solar Energy Volume 69, Supplement 6, 197–208, 2001

[41] International Energy Agency – Task 26, strona internetowa http://task26.iea-shc.org

[42] MAZARRÓN F.R., PORRAS-PRIETO C.J., GARCÍA J.L., BENAVENTE R.M.: Feasibility of active solar

water heating systems with evacuated tube collector at different operational water temperatures, Energy

Conversion and Management 113, 16–26, 2016

[43] ROZPORZĄDZENIE MINISTRA INFRASTRUKTURY I ROZWOJU z dnia 27 lutego

2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz

świadectw charakterystyki energetycznej, Dz. U. poz. 376, Warszawa, dnia 18 marca, 2015