Temperature verification method of solar heat gains in installations with flat plate solar collectors – case study

• Autorzy: Olczak Piotr

Identyfikatory

DOI

10.33223/epj/133124

Warianty tytułu

PL

Metoda temperaturowej weryfikacji solarnych uzysków ciepła w instalacji z kolektorami płaskimi – studium przypadku

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Solar collectors are used increasingly in single-family housing. Their popularity depends on many factors, including the price-to-productivity ratio, which in turn results from the development of solar collector technology as well as entire systems. This development consists of many aspects, including those related to the modernization of control systems and measuring of solar collector systems. Currently used systems offer, among others, the ability to determine the approximate solar heat gains using the sensors necessary for normal control of the sensor system. The paper analyzes, on the example of one facility, how such installations work in Polish conditions. An installation consisting of 3 solar collectors has been selected for analysis, supporting the preparation of hot utility water for a single-family residential building. The detailed analysis concerned days with high heat gains compared to the average heat demand for hot water preparation in the building. The temperature verification method (TVM) of the calculated solar heat gains by the solar system controller has been proposed. Then, differences in measurements according to two methods (controller and TVM) have been presented at various characteristic moments of the installation’s operation (start- -up, stop) and during continuous operation. It has been shown that during the day gains measured by the controller can be 15% lower than gains measured by the TVM method. The check has been carried out at a daily sunlight value higher than 4.8 kWh/m2 measured on a horizontal plane. The ratio of heat energy supplied to the domestic hot water storage tank to the measured insolation has been 34%. The sum of annual solar heat gains measured by the controller and TVM differed by 5.2%.

PL

W budownictwie jednorodzinnym coraz częściej stosuje się kolektory słoneczne. Ich popularność zależy od wielu czynników, w tym stosunku ceny do wydajności, co z kolei wynika z rozwoju technologii kolektorów słonecznych, a także całych systemów. Na rozwój ten składa się wiele aspektów, w tym związanych z modernizacją układów sterowania i pomiarami systemów kolektorów słonecznych. Obecnie stosowane systemy oferują m.in. możliwość określenia przybliżonych uzysków ciepła słonecznego za pomocą czujników niezbędnych do normalnego sterowania układem pracy systemu. W artykule przeanalizowano, na przykładzie jednego obiektu, jak takiego typu instalacje działają w polskich warunkach. Do analizy wybrano instalację składającą się z 3 kolektorów słonecznych wspomagających przygotowanie ciepłej wody użytkowej dla budynku mieszkalnego jednorodzinnego. Szczegółowa analiza dotyczyła dni z dużymi uzyskami ciepła w porównaniu ze średnim zapotrzebowaniem na ciepło do przygotowania ciepłej wody w budynku. Zaproponowano metodę weryfikacji temperatury (TVM) obliczonych zysków ciepła słonecznego przez regulator systemu solarnego. Następnie przedstawiono różnice w pomiarach prowadzonych dwiema metodami (sterownik PLUM i TVM) w różnych charakterystycznych momentach pracy instalacji (rozruch, zatrzymanie) oraz podczas pracy ciągłej. Wykazano, że w ciągu dnia uzyski ciepła mierzone przez kontroler mogą być o 15% niższe niż uzyski mierzone metodą TVM. Sprawdzenie zostało przeprowadzone przy dziennej wartości nasłonecznienia wyższej niż 4,8 kWh/m2 mierzonego w płaszczyźnie poziomej. Stosunek energii cieplnej dostarczonej do zasobnika ciepłej wody użytkowej do zmierzonego nasłonecznienia wyniósł 34%. Suma rocznych uzysków ciepła słonecznego mierzonych przez regulator i TVM różniła się o 5,2%.

Słowa kluczowe

EN

measurement; solar energy; solar heat sources; energy efficiency measures; thermal solar collector

PL

pomiary; energia słoneczna; kolektory słoneczne termiczne; źródła energii słonecznej; pomiar efektywności energetycznej

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Czasopismo: Polityka Energetyczna
• Rocznik: 2021
• Tom: T. 24, z. 1
• Strony: 115--132
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Olczak Piotr

• Mineral and Energy Economy Research Institute of the Polish Academy of Sciences, Kraków, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4926-0845

Bibliografia

• Al-Shamani et al. 2017 – Al-Shamani, A.N., Sopian, K., Mat, S. and Abed, A.M. 2017. Performance enhancement of photovoltaic grid-connected system using PVT panels with nanofluid. Solar Energy 150, pp. 38–48.
• Baccoli et al. 2018 – Baccoli, R., Frattolillo, A., Mastino, C., Curreli, S. and Ghiani, E. 2018. A comprehensive optimization model for flat solar collector coupled with a flat booster bottom reflector based on an exact finite length simulation model. Energy Conversion and Management 164, pp. 482–507.
• Biawar 2015. Hevelius wunder. [Online] http://www.biawar.com.pl/systemy-solarne/hevelius-wunder-kolektory- plaskie/hevelius-cls-3-bz [Accessed: 2020-01-04].
• Boryszewerg 2020. Ergolid A. [Online] https://www.boryszewerg.com.pl/produkty/plyny-do-instalacji/ergolid- a/ [Accessed: 2020-04-10].
• Dayamand et al. 2020 – Dayamand, A., Aykapadathu, M., Sellami, N. and Nazarinia, M. 2020. Experimental Investigation of a Novel Absorptive/Reflective Solar Concentrator: A Thermal Analysis. Energies 13(5), p. 1281.
• EPLAB 2015. Black & White Pyranometer. [Online] http://www.eppleylab.com/wp-content/uploads/pdf/ EPPLEY160919-8-48-Diffuse.pdf [Accessed: 2020-01-05].
• Fiaschi et al. 2019 – Fiaschi, D., Manfrida, G., Petela, K. and Talluri, L. 2019. Thermo-electric energy storage with solar heat integration: Exergy and exergo-economic analysis. Energies 12(4), p. 648.
• Figaj et al. 2019 – Figaj, R., Szubel, M., Przenzak, E. and Filipowicz, M. 2019. Feasibility of a small -scale hybrid dish/flat-plate solar collector system as a heat source for an absorption cooling unit. Applied Thermal Engineering 163, p. 114399.
• Jeleński et al. 2020 – Jeleński, T., Dendys, M., Tomaszewska, B. and Pająk, L. 2020. The Potential of RES in the Reduction of Air Pollution: The SWOT Analysis of Smart Energy Management Solutions for Krakow Functional Area (KrOF). Energies 13, p. 1754.
• Katsaprakakis, D.A. and Zidianakis, G. 2019. Optimized Dimensioning and Operation Automation for a Solar-Combi System for Indoor Space Heating. A Case Study for a School Building in Crete. Energies 12(1), p. 177.
• Knapik, M. 2018. Analysis and comparison of methods for the preparation of domestic hot water from district heating system, selected renewable and non-renewable sources in low-energy buildings. E3S Web of Conferences 30, p. 03001.
• Kryzia, D. and Pepłowska, M. 2019. The impact of measures aimed at reducing low-stack emission in Poland on the energy efficiency and household emission of pollutants. Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 22(2), pp. 121–132, DOI: 10.33223/epj/109912.
• Lee et al. 2020 – Lee, M., Shin, Y. and Cho, H. 2020. Performance Evaluation of Flat Plate and Vacuum Tube Solar Collectors by Applying a MWCNT/Fe3O4 Binary Nanofluid. Energies 13(7), p. 1715.
• Mirowski, T. and Sornek, K. 2015. Potential of prosumer power engineering in Poland by example of micro PV installation in private construction (Potencjał energetyki prosumenckiej w Polsce na przykładzie mikroinstalacji fotowoltaicznych w budownictwie indywidualnym). Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 18(2), pp. 73–84 (in Polish).
• Montoya-Marquez, O. and Flores-Prieto, J.J. 2017. The effect of the angle of inclination on the efficiency in a medium-temperature flat plate solar collector. Energies 10(1), p. 71.
• Montoya-Márquez, O. and Flores-Prieto, J.J. 2018. Heat removal factor in flat plate solar collectors: Indoor test method. Energies 11(10), p. 2783.
• Ocłoń et al. 2020 – Ocłoń, P., Cisek, P., Kozak-Jagieła, E., Taler, J., Taler, D., Skrzyniowska, D. and Fedorczak-Cisak, M. 2020. Modeling and experimental validation and thermal performance assessment of a sun-tracked and cooled PVT system under low solar irradiation. Energy Conversion and Management 222, p. 113289.
• Olczak, P. 2020a. The influence of excessive solar heat gains on heat loss in the hot water tank – case study. Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 23(2), pp. 91–104, DOI: 10.33223/epj/122620.
• Olczak, P. 2020b. The comparison of solar installation heat gains and SHW simulation results – case study. Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 23(3), pp. 41–54, DOI: 10.33223/epj/126981.
• Olczak, P. and Kryzia, D. 2016a. Profitability of Using Solar Collectors for Modernized Domestic Hot Water Installation in Single-Family House (Opłacalność zastosowania kolektorów słonecznych w modernizowanej instalacji ciepłej wody użytkowej domu jednorodzinnego). Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 47(3), pp. 94–99 (in Polish).
• Olczak, P. and Kryzia, D. 2016b. Analysis of Possible Use of Solar Tracking Mirror Collectors in Polish Conditions and Selection of Their Arrangement (Analiza możliwości wykorzystania lustrzanych kolektorów nadążnych w warunkach polskich oraz wybór sposobu ich rozmieszczenia). Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 47(7), pp. 259–264 (in Polish).
• Olczak, P. and Olek, M. 2016. Limiting classic smog through the use of flat solar collectors (Ograniczenie smogu klasycznego poprzez zastosowanie płaskich kolektorów słonecznych). Odnawialne Źródła Energii i Gospodarka Odpadami Oraz Ochrona i Gospodarowanie Zasobami Przyrody – Wybrane Problemy w Polsce, PWSZ Tarnów, Tarnów, pp. 83–96 (in Polish).
• Olczak, P. and Zabagło, J. 2015. The Efficiency of the Solar System With Heat Pipe Collectors in Apartment Building. District Heating, Heating, Ventilation 11(46), p. 427.
• Olczak et al. 2015 – Olczak, P., Zabagło, J., Kandefer, S. and Dziedzic, J. 2015. Influence of Solar Installation with Flat-Plate Collectors in a Detached House on Pollutants Emission and Waste Stream. Between Evolution and Revolution – in Search of an Energy Strategy, WAT, Poznań, pp. 739–752.
• Olczak et al. 2017a – Olczak, P., Kryzia, D. and Olek, M. 2017. Cost-effective use of the rack in a solar installation – case study (Ekonomiczna efektywność zastosowania stelaża w instalacji solarnej – studium przypadku). Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 48(8), pp. 331–334 (in Polish).
• Olczak et al. 2017b – Olczak, P., Porzuczek, J. and Kandefer, S. 2017. Passive sun tracking of a single evacuated tube collector with the focusing mirror. 2016 IEEE International Conference on Power and Renewable Energy, ICPRE 2016, pp. 611–615.
• Olczak et al. 2018 – Olczak, P., Kryzia, D., Augustyn, A. and Olek, M. 2018. The economic profit ability of the changing size of solar collectors surface in the case study of the household domestic hot water installation (Opłacalność ekonomiczna zmiany wielkości powierzchni kolektorów słonecznych płaskich w instalacji c.w.u. budynku jednorodzinnego – studium przypadku). Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN 102, pp. 77–90 (in Polish).
• Olczak et al. 2019 – Olczak, P., Kryzia, D., Matuszewska, D. and Halbina, A. 2019. Analysis of financial risk of a hard coal mine participation in DSR mechanisms in Poland – A case study. E3S Web of Conferences, DOI: 10.1051/e3sconf/201912301005.
• Olczak et al. 2020a – Olczak, P., Matuszewska, D. and Zabagło, J. 2020. The Comparison of Solar Energy Gaining Effectiveness between Flat Plate Collectors and Evacuated Tube Collectors with Heat Pipe: Case Study. Energies 13(7), p. 1829.
• Olczak et al. 2020b – Olczak, P., Olek, M. and Kryzia, D. 2020. The ecological impact of using photothermal and photovoltaic installations for DHW preparation. Polityka Energetyczna – Energy Policy Journal 23(1), pp. 65–74, DOI: 10.33223/epj/118999.
• Olek et al. 2016 – Olek, M., Olczak, P. and Kryzia, D. 2016. The sizes of Flat Plate and Evacuated Tube Collectors with Heat Pipe area as a function of the share of solar system in the heat demand. E3S Web of Conferences 10, p. 00139.
• Porzuczek, J. 2016. A novel approach for the design of the modular controllers for solar thermal systems. A Novel Approach for the Design of the Modular Controllers for Solar Thermal Systems 1, pp. 79–86.
• Roberto et al. 2010 – Roberto, B., Ubaldo, C., Stefano, M., Roberto, I., Elisa, S. and Paolo, M. 2010. Graybox and adaptative dynamic neural network identification models to infer the steady state efficiency of solar thermal collectors starting from the transient condition. Solar Energy, DOI: 10.1016/j. solener.2010.03.011.
• Sarafraz et al. 2019 – Sarafraz, M.M., Tlili, I., Baseer, M.A. and Safaei, M.R. 2019. Potential of solar collectors for clean thermal energy production in smart cities using nanofluids: Experimental assessment and efficiency improvement. Applied Sciences (Switzerland) 9(9), p. 1877.
• Weiss, W. and Spörk‐Dür, M. 2018. Global Market Development and Trends in 2018. Gleisdorf, Austria.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).