Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun

Full text

(1)1999:249. EXAMENSARBETE. Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Bernt-Ove Andersson. Civilingenjörsprogrammet Institutionen för Maskinteknik Avdelningen för Energiteknik. 1999:249 • ISSN: 1402-1617 • ISRN: LTU-EX--99/249--SE.

(2) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Förord. Förord "Energi kan inte skapas eller förbrukas utan endast omvandlas från en form till en annan." Detta examensarbete handlar om att omvandla energin i solens strålar till en behaglig temperatur på badvatten. Arbetet avslutar en civilingenjörsutbildning vid Luleå Tekniska Universitet och är skrivet vid institutionen för maskinteknik, avdelning energiteknik. Ett tack riktas till alla som på något sätt hjälp mig att få ihop detta arbete Kjell Blombäck och Gudrun Keikkala på Theorells, Gunder Hägg och Jonas Wallström på Arvidsjaurs kommun, Lars Westerlund m.fl. vid Luleå Tekniska Universitet samt studiekamraterna. Tack alla nära och kära, som fått komma i andra hand många gånger. Ett speciellt tack till mina föräldrar som inte bara gjort denna rapport utan även hela min utbildning möjlig. Luleå, 15 oktober 1999. Bernt-Ove Andersson. Texten är skriven i ordbehandlingsprogrammet Microsoft Word 97. Bilderna är tagna av författaren och behandlade i Adobe Photoshop 4.0 och Microsoft Paint, där även en del figurer är ritade, allt gjort på en vanlig PC. ©1999, författaren. Kopiera gärna men glöm inte att ange källan..

(3) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Sammanfattning. Sammanfattning Arvidsjaurs kommuns energiplan anger att solvärmeteknik skall tillämpas för objekt där det kan vara lämpligt. Kommunen vill därför ha en förstudie om solvärme för kommunens badanläggningar i Arvidsjaur, Glommersträsk och Moskosel. Syftet med arbetet är att undersöka om det är möjligt att tillgodose delar av utomhusbassängernas värmebehov med hjälp av solvärmeteknik. Dessutom skall utredas om det är möjligt att samtidigt värma upp exempelvis tappvarmvatten. Förslag till lämpliga systemutformningar tas fram och de ekonomiska aspekterna beaktas. Arbetet börjar med en studie och beskrivning av de befintliga anläggningarna. En beskrivning av tekniken studeras och sammanställs för att sedan tillämpas vid framställande av förslag till systemlösningar. Detta sker simultant med ekonomiska kalkyler för att slutligen utmynna i ett så bra förslag till lösning som möjligt av dessa projekt. Beträffande anläggningarna i Glommersträsk och Moskosel är pooluppvärmningen med hjälp av solvärme lönsam. En lösning som bygger på ett direkt system blir relativt billig i investering. Vid Centrumbadet i Arvidsjaur föreslås en alternativ lösning där inomhusbassängen värms upp utanför sommarsäsongen. Driftkostnaderna är låga varför en återbetalningstid på ca 5 år i samtliga fall är realistiskt med dagens energipriser. Om energiprisutvecklingen beaktas kan återbetalningstiden förkortas avsevärt. Energiprisutvecklingen visar på en fördubbling av energipriserna under de 15 senaste åren. En livstid på 15 år ger en solvärmekostnad på 20-35 öre/kWh. En investering av solvärme i Arvidsjaur kan bli mycket lönsam för kommunen..

(4) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Abstract. Abstract The plan of energy application, at the municipality of Arvidsjaur, states more use of solar energy, where it is possible. The municipality wants a pilot study about use of solar heat in bath facilities in Arvidsjaur, Glommersträsk and Moskosel. The purpose of the study is to examine if it is possible to use solar heat to supply a part of the heat at the swimming pools. In addition the possibility to simultaneously supply heat demand for hot water production is investigated. A recommendation for suitable system solutions and economical aspect is taken into account. The work starts with a study of the present facilities. A description of the solar technique is maid and later on applicable to suggestions for system solutions. Simultaneously the economical aspect is paid attention to, so that it will result in prescribed solutions as profitable as possible. A solar heat system in Glommersträsk and Moskosel is profitable. A solution with direct system is a relatively cheap investment. At Centrumbadet in Arvidsjaur, an alternative solution is suggested where the swimming pool inside is heated up during the winter season. The running costs is low why a pay back time under 5 year, in all three cases, seems to be realistic, when development of energy prices is paid attention to. The development of energy prices shows a doubling of the prices during the last 15 years. A lifetime of 15 year leads to a solar heat cost of 20-35 öre/kWh. An investment of solar heat system at Arvidsjaur seems to be very profitable for the municipality..

(5) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Innehållsförteckning. Innehållsförteckning 1 Inledning ................................................................................................ 7 1.1 Bakgrund .............................................................................................................. 7 1.2 Syfte ...................................................................................................................... 7 1.3 Mål........................................................................................................................ 7 1.4 Arbetsgång............................................................................................................ 8. 2 Beskrivning av befintliga anläggningar ................................................ 9 2.1 Centrumbadet i Arvidsjaur .................................................................................. 9 2.1.1 Tappvarmvatten .............................................................................................. 9 2.1.2 Utomhuspooler ............................................................................................. 10 2.1.3 Inomhusbassäng samt äventyrsbad ................................................................ 10 2.1.4 Dagens uppvärmningssystem......................................................................... 10 2.2 Anläggningarna i Glommersträsk och Moskosel............................................... 10 2.2.1 Dagens uppvärmningssystem......................................................................... 11. 3 En solvärmeanläggnings olika delar ................................................... 12 3.1 Systemteknik....................................................................................................... 12 3.1.1 Självcirkulerande system ............................................................................... 12 3.1.2 Pumpcirkulation ............................................................................................ 12 3.1.3 Direkta system .............................................................................................. 13 3.1.4 Indirekta system ............................................................................................ 14 3.1.5 Dränering...................................................................................................... 15 3.1.6 Tryck och avluftning ..................................................................................... 15 3.2 Placering ............................................................................................................. 15 3.2.1 Riktning och skuggning................................................................................. 16 3.3 Solinstrålning...................................................................................................... 16 3.4 Verkningsgrad.................................................................................................... 17 3.4.1 Värmeproduktion .......................................................................................... 18 3.5 Solfångare........................................................................................................... 18 3.5.1 Om val och dimensionering........................................................................... 19 3.5.2 Plana solfångare............................................................................................ 19 3.5.3 Vakuumsolfångare ........................................................................................ 20 3.5.4 Lågtempererade solfångare............................................................................ 20 3.6 Solkrets ............................................................................................................... 20 3.6.1 Cirkulationspump.......................................................................................... 21 3.6.2 Reglerventil .................................................................................................. 21 3.6.3 Backventil -magnetventil............................................................................... 21 3.6.4 Filter ............................................................................................................. 21 3.6.5 Påfyllning och avtappning ............................................................................. 21 3.6.6 Expansionskärl.............................................................................................. 21 3.6.7 Reglerutrustning............................................................................................ 22 3.6.8 Olika värmebärare......................................................................................... 23 3.7 Värmeväxlare ..................................................................................................... 23 3.7.1 Rörbatteri...................................................................................................... 23 3.7.2 Plattvärmeväxlare ......................................................................................... 24 3.8 Värmelager ......................................................................................................... 24 3.8.1 Kemisk värmepump ...................................................................................... 25 3.8.2 Ackumulatortank........................................................................................... 25 3.9 Material .............................................................................................................. 25 3.10 Bassängtäckning ............................................................................................... 26. 4 Analys................................................................................................... 27 4.1 Tillåtet tryck ....................................................................................................... 27.

(6) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Innehållsförteckning. 4.2 Lutning på solfångare......................................................................................... 28 4.2.1 Solinstrålning över Arvidsjaur....................................................................... 28 4.2.2 Optimering av lutning ................................................................................... 31 4.2.3 Beräkning av optimala lutningen för Centrumbadet........................................ 32 4.2.4 Beräkning av optimala lutningen för baden i Glommersträsk och Moskosel.... 33 4.2.5 Beräkning av globala solinstrålningen för de olika fallen................................ 34 4.2.6 Omräkningsfaktor ......................................................................................... 35 4.3 Värmeförluster i en utomhuspool ...................................................................... 36 4.4 Beräkning av volym på ackumulatortank.......................................................... 38 4.4.1 Centrumbadet................................................................................................ 38 4.4.2 Tappvarmvatten i Glommersträsk och Moskosel ............................................ 39 4.5 Lönsamhetsberäkning ........................................................................................ 39 4.5.1 Beräkning av återbetalningstid....................................................................... 40 4.5.2 Beräkning av solvärmekostnad ...................................................................... 40. 5 Centrumbadet i Arvidsjaur................................................................. 42 5.1 Systemval och systemkombination ..................................................................... 42 5.1.1 Alternativ ett................................................................................................. 42 5.1.2 Alternativ två ................................................................................................ 43 5.2 Placering ............................................................................................................. 44 5.3 Solinstrålning...................................................................................................... 46 5.4 Värmebehov........................................................................................................ 46 5.4.1 Utomhuspool ................................................................................................ 46 5.4.1 Tappvarmvatten ............................................................................................ 47 5.4.2 Sammanställning av värmebehovet................................................................ 47 5.5 Val och dimensionering av solfångare................................................................ 47 5.5.1 Beräkningar av solfångarytor och värmeproduktion ....................................... 47 5.6 Drift och underhåll ............................................................................................. 53. 6 Utomhuspoolerna i Glommersträsk och Moskosel............................. 54 6.1 Systemval ............................................................................................................ 54 6.1.1 Utomhuspool ................................................................................................ 54 6.1.2 Tappvarmvatten ............................................................................................ 54 6.2 Placering ............................................................................................................. 55 6.3 Solinstrålning...................................................................................................... 56 6.4 Värmebehov........................................................................................................ 57 6.4.1 Utomhuspool ................................................................................................ 57 6.4.2 Tappvarmvatten ............................................................................................ 57 6.5 Val och dimensionering av solfångare................................................................ 58 6.5.1 Solfångare för pooler..................................................................................... 58 6.5.2 Solfångare för tappvarmvatten....................................................................... 59 6.6 Drift och underhåll ............................................................................................. 61. 7 Ekonomi och lönsamhetsberäkningar ................................................ 62 7.1 Dagens oljepriser och elpriser ............................................................................ 62 7.2 Centrumbadet..................................................................................................... 64 7.2.1 Investeringskostnad....................................................................................... 65 7.2.2 Besparing...................................................................................................... 65 7.2.3 Återbetalningstid och solvärmekostnad.......................................................... 66 7.3 Glommersträsk och Moskosel ............................................................................ 68 7.3.1 Investeringskostnad....................................................................................... 68 7.3.2 Besparing...................................................................................................... 68 7.3.3 Återbetalningstid och solvärmekostnad.......................................................... 69. 8 Diskussion och slutsatser..................................................................... 71 9 Referenser ............................................................................................ 73.

(7) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Bilagor Bilaga 1.. Bilaga 2.. Innehållsförteckning. Sidor Solfångare med P-märkningstillstånd respektive Godkänd inledande kontroll.. 3. Års och månadsmedelvärden av globalstrålning för Arvidsjaur.. 5.

(8) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Inledning. 1 Inledning Solen som energikälla är en förutsättning för allt liv på jorden. Den anses av de flesta som en ren och naturlig energikälla. Kunskapen om hur denna energi skall kunna tämjas och omvandla den till något användbart inspirerar många jorden över. Civilingenjörsutbildningen vid Luleå Tekniska Universitet avslutas med ett examensarbete på 20 poäng. Detta examensarbete är gjort på institutionen för maskinteknik inom avdelningen energiteknik. Examensarbetet som görs på uppdrag av Arvidsjaurs kommun handlar om just solvärmeteknik. Eftersom badsäsongen sammanfaller med solsäsongen är uppvärmning av bassängvatten ett av de mest lönsamma användningsområdena för solfångare. Arbetstemperaturen i en badanläggning ger bästa tänkbara verkningsgrad för solvärmesystemet. Lågtempererad värme gör att enklare typer av solfångare kan användas, vilket ger goda ekonomiska förutsättningar. Beträffande anläggningen i Arvidsjaur så måste hänsyn tas till att utomhuspoolen är integrerad med inomhusbad och sporthall. Skall dessutom tappvarmvattnet värmas upp stora delar av säsongen krävs en mer teknisk avancerad lösning av problemet.. 1.1 Bakgrund Sveriges kommuner är enligt Plan och Bygglagen (1987:10) skyldig att ha en plan över hur energiförsörjningen ser ut idag samt hur kommunen i framtiden skall försörjas med energi på ett säkert och miljövänligt sätt. Arvidsjaurs kommuns energiplan säger att solvärmeteknik skall tillämpas för objekt där det kan vara lämpligt. t.ex. vid höga tappvattenförbrukningar och vid uppvärmning av utomhusbaden. Kommunen vill ha en förstudie om solvärme för kommunens badanläggningar. Det gäller Centrumbadet i Arvidsjaurs tätort samt utomhusbaden i Glommersträsk och Moskosel.. 1.2 Syfte Syftet med examensarbetet är att undersöka om det är möjligt att tillgodose hela eller delar av utomhusbassängernas värmebehov med hjälp av solvärmeteknik. Dessutom skall utredas om det är möjligt att värma upp tappvarmvatten vid anläggningarna med hjälp av solvärmeteknik. Förutom tekniken skall ekonomiska aspekter beaktas. Förslag till lämpliga systemutformningar tas fram för dessa anläggningar.. 1.3 Mål Målet med detta arbete är att ge ett förslag på vilken teknik kommunen kan använda sig av på de tre olika orterna. En bra teknisk lösning med val av solfångare, systemlösningar mm kommer att föreslås. Dessa förslag kommer att tas fram tillsammans med ekonomiska perspektiv på det hela.. 7.

(9) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Inledning. 1.4 Arbetsgång Arbetet börjar med en studie och beskrivning av de befintliga anläggningarna. Dagens uppvärmningssystem, lokaler och övriga lokala förhållanden studeras. Representativa värmeförbrukningar, elförbrukningar samt besöksstatistik tas fram för respektive anläggning. Därefter görs litteraturstudier. Bibliotek och Internet besöks för att få fram nödvändig kunskap och aktuell färsk teknik. Företag som säljer solvärmeprodukter kontaktas. En beskrivning av tekniken studeras och sammanställs för att sedan tillämpas vid framställande av förslag till systemlösningar. Detta sker simultant med ekonomiska kalkyler för att slutligen utmynna i ett så lönsamt och bra förslag till lösning som möjligt av detta projekt. Arbetet avslutas med en diskussion innehållande slutsatser och rekommendationer.. 8.

(10) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Beskrivning av befintliga anläggningar. 2 Beskrivning av befintliga anläggningar Arvidsjaurs kommun har tre badanläggningar som skall studeras beträffande om det lönar sig att nyttja solvärmeteknik. Centrumbadet, ett utomhusbad i tätorten, som är integrerad med inomhusbad och äventyrsbad samt sporthall. Dessutom studeras möjligheterna vid utebaden i Glommersträsk och Moskosel, som inrymmer varsin mindre pool samt varsin barnbassäng. Alla uppgifter på nuvarande värmeförbrukning, elförbrukning och oljeförbrukning samt poolareor, besöksstatistik och temperaturer är framtagna av Arvidsjaurs kommun. Utifrån detta beräknas och dimensioneras sedan solvärmeanläggningarna.. 2.1 Centrumbadet i Arvidsjaur Anläggningen i Arvidsjaur centralort, Centrumbadet, består av en inomhuspool med ett äventyrsbad samt en utomhuspool, se figur 2.1 a), med en bredvidliggande liten barnbassäng. I samma byggnad finns även en sporthall inrymd. Sommartid används alla delar av badanläggningen. Dessutom nyttjas även duscharna i sporthallen. I dag värms fastigheten upp av el och olja. Anläggningen i centralorten får sin värme från den närliggande brandstationen, se figur 2.1 b).. a). b). Figur 2.1. a) Utomhuspoolen vid Centrumbadet. b)Barnpoolen vid centrumbadet med brandstationen bakom till vänster. 2.1.1 Tappvarmvatten Tappvarmvattenförbrukningen är ej separat registrerad. För att få en uppfattning av storleken kan antalet besökare uppskattas. Sommartid besöks utebadet av 200-250 personer under de soligaste dagarna. Vintertid besöks inomhusbadet av 300-350 personer per dygn. Tappvarmvattnet delas med sporthallsdelen som har uppskattningsvis 350 personer dagtid samt ca 100 besökare på kvällstid. Totalt skall alltså tappvarmvattnet räcka till ca 800 personer per dygn. Sporthallsdelen har 14 duschar och badhusdelen har 12 duschar. 9.

(11) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Beskrivning av befintliga anläggningar. 2.1.2 Utomhuspooler Det finns två olika pooler utomhus. Dessa ligger delvis skyddade. Den stora poolen har måtten 50 x 18 m och är 1,5 meter djup i snitt. Barnpoolen har dimensionen 8 x 4 m med djupet 0,55 m. Djupen är medeldjup eftersom bassängbotten lutar. Temperaturen på vattnet skall ligga på 25 °C. Utomhusanläggningen håller öppet mellan 10/6-20/8 (10 veckor), dvs under grundskolornas sommarlov. Sommaren 1999 besöktes badet av 12500 personer. 2.1.3 Inomhusbassäng samt äventyrsbad Det finns en inomhusbassäng i badhuset som innehåller 350 m3 vatten och skall hålla temperaturen 28 °C. I direkt anslutning till inomhusbassängen ligger ett äventyrsbad som innehåller 200 m3 vatten och skall hålla temperaturen 30 °C. 2.1.4 Dagens uppvärmningssystem Det finns ingen värmekälla i badhusbyggnaden. Vattnet i bassängen värms upp med hjälp av bl.a. olje/el pannor som finns belägna i brandstationen som ligger i direkt anslutning till badanläggningen. Via kulvertsystem från brandstationen leds värmen mellan byggnaderna. Beräkningar är gjorda som talar om att täckningsgraden el är ca 75 %, se vidare kapitel 7.3. Primärsidan håller 90 °C och växlas sedan över med hjälp av en plattvärmeväxlare till poolerna. Plattvärmeväxlaren sitter i brandstationsbyggnaden. Varmvattnets och värmeanläggningens värmeväxlare sitter däremot i badhus/sporthallsbyggnaden. Tappvarmvattnet förbrukar ca 37 MWh och utomhuspoolens värmeförbrukning är ca 400 MWh. Siffrorna kommer från mätningar som kommunen gjort mellan 1994-1996 och speglar väl dagens förhållanden.. 2.2 Anläggningarna i Glommersträsk och Moskosel Anläggningarna i Glommersträsk och Moskosel är i stort sett identiska. De består av en större pool samt en mindre pool för små barn. Därför kommer dessa i huvudsak att behandlas simultant. Då anläggningarna skiljer sig åt poängteras detta. Anläggningarna består av två stycken pooler vardera. Den stora med måtten 16 x 8 x 1,25 m och den lilla med måtten 8 x 4 x 0,55. Där djupen 1,25 och 0,55 m är medeldjup. Figur 2.2 visar en bild över poolerna i Glommersträsk. Vid anläggningen i Moskosel är poolerna placerade på nästan samma sätt.. 10.

(12) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Beskrivning av befintliga anläggningar. Figur 2.2. Poolerna i Glommersträsk. Öppettiden för anläggningarna är som för centrumbadets utomhusbad mellan ca 10/6 - 20/8 (10 veckor) dvs under grundskolornas sommarlov. Uppskattningsvis besöks anläggningarna av upp till 100 besökare per dag under de soligaste dagarna. Antalet besökare i snitt per dag är uppskattat till 50 personer. Det finns 4 st duschar i varje anläggning. 2.2.1 Dagens uppvärmningssystem Poolerna värms idag upp med el och ska hålla en temperatur på 25 °C. Respektive anläggnings värme- och elförbrukning är 90 MWh/säsong varav varmvattnet och pumpen förbrukar uppskattningsvis 20 MWh/säsong. Cirkulationspumpen till poolen är på ca 7,1 kW. Går den dygnet runt i 70 dagar förbrukar den ca 12 MWh elektricitet. Resterande 8 MWh är för uppvärmning av tappvarmvatten. Dessa siffror är inte helt exakta så tappvarmvattenförbrukningen kommer att beräknas med en annan metod längre fram i rapporten. Poolernas värmeförbrukning är således 70 MWh/säsong. Även dessa data kommer från mätningar och beräkningar gjorda 1994-1996.. 11.

(13) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. 3 En solvärmeanläggnings olika delar En solvärmeanläggning är en relativt enkel och driftsäker anläggning. Anläggningen kan se ut på olika sätt beroende på användningsområde och var den finns rent geografiskt. Även lokala förhållanden kan påverka systemutformningen. Detta kapitel beskriver tekniken i allmänhet. Dessutom ges en beskrivning av komponenterna i de aktuella solvärmeanläggningarna.. 3.1 Systemteknik Det finns många olika systemlösningar. Beroende på tillämpning, klimat mm används olika typer av system. Dessa är ofta utprovade, testade och verifierade av opartiska institutioner. Gemensamt är att tekniken går mot mindre komplicerad teknik både beträffande solfångarkonstruktioner och systemlösningar. Bättre materialutnyttjande ger både bättre och billigare solfångare, där ny systemteknik förenklar både rördragning och komponentinnehåll. 3.1.1 Självcirkulerande system I sydligare länder är det vanligt med självcirkulerande system. Det baseras på att det lättare varma vattnet stiger uppåt. Värmelagret placeras högre upp än solfångaren och det kalla vattnet rinner då ner i solfångaren, på grund av sin tyngd. Det tränger då undan det varma vattnet och cirkulationen är i gång. Detta pågår så länge som det är en temperaturskillnad mellan ackumulatortanken och solfångaren. Självcirkulerande system är enkla och relativt billiga och lättskötta system. En nackdel med dessa system är att självcirkulationskraften är relativt svag. Solfångare och tank bör därför placeras nära varandra. Rördragningen mellan dessa skall utformas så att den blir mjuk och stigande i hela sin längd. Relativt grova ledningar bör användas för att hålla nere tryckfall i rören. Om flera solfångare kopplas ihop bör det ske på ett sätt som främjar självcirkulationen. 3.1.2 Pumpcirkulation Eftersom vårt kalla klimat kräver frostsäkra system så dominerar solvärmesystem med pumpcirkulation marknaden. En fördel med pumpcirkulation är att ackumulatortanken kan placeras valfritt i förhållande till solfångaren. När tillräcklig temperaturdifferens har uppnåtts mellan solfångaren och värmelagret ger reglercentralen en signal till cirkulationspumpen som då startar. Pumpcirkulerande system kan användas både i direkta och indirekta system, såväl som i trycksatta som i trycklösa system. Rörsystemen kan dimensioneras och beräknas enligt vanliga beräkningsmodeller. Vattenhastigheten bör komma upp till mer än 0,5 m/s så att luft dras med flödet. Samtidigt bör detta värde ej överskridas, för mycket, så att onödigt tryckfall motverkas. 12.

(14) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. En pumpeffekt på 5-10 W/m2 solfångare är att rekommendera [1]. Det ger att pumparbetet endast utgör någon procent av energiutbytet. Genom att dela upp solfångarytan i jämnstora parallellkopplade ytor uppnås jämn flödesfördelning med minimerade tryckförluster. Följs ovannämnda rekommendationer behövs i regel inga reglerventiler för att justera in flödesregleringen. Genom att värmebärarens inre friktion sjunker med den ökade temperaturen och tvärtom uppstår en viss självreglering. Detta på grund av att tryckfallet minskar med den minskade inre friktionen. 3.1.3 Direkta system I direkta system används det medium som ska värmas upp som värmebärare, till exempel klorerat bassängvatten som passerar direkt genom solfångaren, utan värmeväxlare. Vattnet bör dock gå genom filterkretsen först. Att tänka på är att alla komponenter i systemet måste klara av påfrestningarna (Vattenkvalité, tryck, temperaturer mm)från den aktuella värmebäraren. I t.ex. poolanläggningar har syret fritt tillträde till systemet eftersom poolen fungerar som ett öppet expansionskärl. Absorbator av till exempel polymermaterial är bra i detta fallet eftersom de är okänsliga för korrosion. Eftersom värmeväxlare saknas fås låga temperaturdifferenser mellan bassäng och solfångare. Det ger således en bättre verkningsgrad, enligt resonemang i kapitel 3.4. En principskiss över hur ett direkt system är uppbyggt åskådliggörs i figur 3.1.. Figur 3.1. Direkt system med gemensam pump för solfångare och filterkrets. Då de aktuella anläggningarna ligger i ett område där frost förekommer måste solfångare och rörledningar tappas på vätska vintertid för att undvika frostsprängning. En fördel med direkta system är en förhållandevis enkel konstruktion och systemteknik vilket ger ett enklare installationsarbete.. 13.

(15) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. 3.1.4 Indirekta system Indirekta system är det vanligaste systemet idag i Sverige. En värmeväxlare används för att överföra värmen från solkretsen till värmelagret. Solkretsen, som är i kontakt med utomhusklimatet, kan då fyllas med ett frysskyddat medium som till exempel en vatten/glykolblandning. Figur 3.2 visar ett exempel på ett indirekt system.. Figur 3.2. Indirekt slutet system med expansionskärl. Dessa system är normalt slutna och brukar då köras med ett visst övertryck. Kokpunkten i värmebäraren höjs då arbetstrycket ökas i systemet. I ett slutet system måste det finnas expansionskärl, säkerhetsventil och en manometer som visar det aktuella trycket. Det förekommer även system med "drain back". I stället för expansionskärl placeras ett dräneringskärl på ledningen från solfångaren till värmeväxlaren. Det fungerar så att då pumpen stannar rinner vattnet ner i dräneringskärlet. En fördel med ett indirekt solvärmesystem är att det alltid är i driftläge. Det kan således ta tillvara på all solinstrålning som bjuds under året. Denna systemtyp är lämplig för exempelvis kombibad, som Centrumbadet. Eftersom en värmeväxlare har en temperaturdifferens som skall beaktas bör glasade solfångare användas i dessa typer av system.. 14.

(16) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. 3.1.5 Dränering För att förhindra frysskador måste direkta system för utomhusbassänger kunna dräneras ordentligt på ett enkelt sätt. Skall anläggningen användas året runt är det att föredra ett indirekt system där värmebäraren frysskyddas med exempelvis propylenglykol. Indirekta system måste också kunna dräneras till exempel i samband med kokning eller vid underhållsarbeten i systemet. För att dräneringen ska fungera bör beaktas att luft skall kunna sugas in vid högpunkter i systemet. Vätskan måste kunna rinna ut helt och hållet ur systemet, vilket i många fall kan vara svårt att kontrollera. Ventiler kan placeras på de platser i systemet där vätska tenderar att samlas kvar. Detta för att det skall gå att kontrollera att systemet är helt tömt på vätska. Avstängningsventiler placeras så att det går att avskilja de delar av systemet som skall dräneras med resten av systemet. Säkerhetsventiler får dock inte sättas ur spel. Observeras bör att dräneringsflödet aldrig får gå bakvägen genom filtret. Tryckfall i filterkretsen kan också hindra fullständig dränering av kretsen. 3.1.6 Tryck och avluftning I ett direkt system måste höjdskillnaden i systemet studeras. Det vanliga på dessa breddgrader är att solfångarna är placerade högre än bassängen varvid det kommer att uppstå undertryck i solfångarna nära utloppet. Detta kan orsaka att luft sugs in i systemet som i sin tur leder till störningar i vattenomsättningen i systemet [7]. Används ett drain back system kan problem med att vatten blir kvar i systemet uppstå. Ett sätt att motverka detta är att skapa ett litet övertryck i systemet. Detta kan åstadkommas genom att en strypventil placeras i anslutning till utloppet av bassängen. Med ventilen kan ett mottryck justeras in vilket leder till att pumparbetet ökar men resultatet blir en säkrare drift och enklare utformning. Avluftningsanordningen används också till luftinsläpp vid dränering. Den i kapitel 3.1.2 rekommenderade vattenhastigheten på strax över 0,5 m/s underlättar också avluftningen avsevärt. Avluftningen och luftinsläppet kan då ske med ett öppet nivårör på högpunkterna. Används ett polymermaterial till absorbator är det viktigt att inte absorbatorn utsätts för ett övertryck den inte klarar. Det kan vara orsakat av tryckfall och statisk tryckhöjd. Ett exempel som ges för att åskådliggöra detta finns redovisat i analysdelen, kapitel 4.1. Leverantören av systemet ger i normala fall anvisningar för dimensionering av de aktuella systemet.. 3.2 Placering Det finns tre olika monteringsalternativ för solfångare. Det första alternativet är att montera solfångarna fristående på något tak eller liknande. Det ställer stora krav på infästningen, som skall klara vindlast, snölast och annan yttre påfrestning. Ett andra alternativ är solfångare som infälls direkt i tak. Det används främst vid nybyggnation. Tredje alternativet är solfångare monterade ovan tak som ofta är en kostnadseffektiv lösning. Jämfört med första alternativet är dessa placerade liggande direkt mot taket. Funktionellt och effektmässigt spelar det ingen roll vilket av de tre alternativ som väljs bara det är en bra och välisolerad solfångare. Det är den lokala terrängen, 15.

(17) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. tillgängliga tak, markytor och dess orientering som styr placeringen av solfångare. För oglasade solfångare bör ett vindskyddat läge eftersträvas. En placering direkt på marken eller på ett tak räcker som vindskydd eftersom baksidan på absorbatorn då automatiskt skyddas mot vind. 3.2.1 Riktning och skuggning Den mest optimala riktningen av en solfångare är oftast rakt mot söder. Det behöver dock inte alltid vara på det sättet. Lokala företeelser som till exempel mer molnighet på eftermiddagen skulle kunna förändra bilden. Dessa lokala avvikelser måste dock dokumenteras med hjälp av mätningar på platsen under en lång tid för att en avvikelse från söder kan motiveras. Placeras solfångarna med riktningen sydväst eller sydost är årsutbytet 20% lägre än utbytet vid optimal uppställning. Det bör eftersträvas att placera solfångarna riktade så optimalt mot söder som möjligt. Skuggning bör också undvikas. Faller det skugga på någon del av solfångarna reduceras värmeproduktionen avsevärt. En tumregel för skuggfrihet sommartid åskådliggörs i Figur 3.3. I figuren ligger solfångaren på marken. Höjden på föremål (exempelvis träd) som kan skymma solen, räknas då från marken och uppåt. När solen skiner rakt västerifrån bör eventuella föremål vara placerade minst 4 gånger sin egen höjd från solfångaren. I sydvästlig riktning bör eventuella föremål stå minst 1,8 gånger sin höjd från solfångaren osv.. Figur 3.3. Skuggfritt avstånd från föremål under sommardrift. Används solfångarna under vår, höst och vinter så ökas dessa avstånd betydligt i och med att solen ligger mycket lägre då. Detta kan bli aktuellt vid Centrumbadet. Observeras bör att det är fördel att placera solfångarna på tak. Detta eftersom höjden på skymmande föremål räknas från den höjd som solfångarna befinner sig på och uppåt. Lutningen på solfångarna behandlas i kapitel 4.2.. 3.3 Solinstrålning Solinstrålningen anges i kWh/m2 för en horisontell yta. Strålningen består dels av direkt ljus från solen och dels av diffust ljus från himlen. Är det en 16.

(18) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. riktigt solig dag kan det direkta ljuset utgöra över 80% av ljuset. Är det däremot molnigt så är det bara diffust ljus. Summan av diffust ljus och direkt ljus kallas globalstrålning. Det är globalstrålningen som är det intressanta när solinstrålning mot solfångare studeras. Utifrån mätvärdena kan konstateras att det under vinterperioden är en tydlig skillnad mellan norr och söder. Under sommaren är det betydligt större skillnad mellan kust och inland än det är mellan de norra och södra delarna av landet. Detta beror på flera olika faktorer. Variationen ligger i flera olika skalor. Det finns en storskalig variation (upp till 1000 km) som beror av latitudläget och det storskaliga klimatet som i sin tur beror av latituden, fördelningen mellan land och hav, bergskedjor, havsströmmar och cyklonbanor. Nästa variation i storleksordningen heter mesovariation och har ett mindre latitudberoende. Strålningsvariationerna styrs av regionala faktorer, där molnen är den viktigaste faktorn. Den småskaliga variationen, med avstånd på mellan 1-10 km, påverkas av molnigheten, turbiditeten, horisonten och reflektionsförmågan hos underlaget. Exempel på dessa förhållanden är stad kontra landsbygd eller bergsområden kontra kustområden. När variationerna är på avstånd mindre är 1 km kallas det för lokal variation. De viktigaste parametrarna på denna skala är den lokala reflektansen och den lokala horisonten. Att utifrån detta teoretiskt beräkna solinstrålningen är svårt. Mätningar på olika platser måste därför ligga till grund för beräkning av solinstrålningen. Globalstrålningen för ett antal orter i Sverige har mätts upp under en längre tid (1961-1983). Med hjälp av dessa data har värden för Arvidsjaurs kommun tagits fram, se vidare i kapitel 4.2.1. Variationsområdet för årsvärden av globalstrålning för en ort i Sverige är ungefär ±10% omkring medelvärdet.. 3.4 Verkningsgrad Förhållandet mellan nyttig och tillförd energi beskriver verkningsgraden i ett system eller i en omvandlingsprocess. I en solfångare kan det se ut enligt: Verkningsgraden =. Producerad värme . Infallande solinstrålning. [1]. Där den infallande solinstrålningen och den producerade värmen vanligtvis uttrycks i kW. En faktor som är viktig när det gäller vilken verkningsgrad en solfångare ger är arbetstemperaturen. I en och samma solfångare varierar oftast värmeproduktionen i takt med arbetstemperaturen trots att solinstrålningen är konstant. Verkningsgraden ökar om arbetstemperaturen i solfångarna sänks eftersom värmeförlusterna till omgivningen då minskar med den mindre temperaturdifferensen. Om medeltemperaturen sänks med 10°C i solfångaren ger det ca 15-20% högre värmeutbyte, beroende på 17.

(19) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. solfångarkonstruktionen [1]. Arbetstemperaturen kan betyda minst lika mycket för verkningsgraden som solfångarens prestanda. Nämnas kan att högeffektiva vakuumsolfångare har bättre verkningsgrad vid större temperaturdifferens mellan arbetsmediet och omgivningens temperatur. Karakteristiskt för en poolsolfångare är att verkningsgraden är högre än för en glasad välisolerad plan solfångare vid låga arbetstemperaturer (∆T under ca 15°C). Dock sjunker verkningsgraden snabbt med stigande arbetstemperatur. Karakteristiskt för en bra solfångare är att den bibehåller verkningsgraden vid höga arbetstemperaturer. 3.4.1 Värmeproduktion Värmeproduktionen från en solfångare varierar med mängden solinstrålning och andelen värmeförlust. Den går att bestämma teoretiskt, till exempel för ett år, utifrån placeringen i vädersträck, lutningen, solinstrålningen på orten och den aktuella verkningsgraden. För att kunna jämföra värden för olika fabrikat av solfångare har branschen enats om en ekvation som teoretiskt bestämmer energiutbytet vid samma förutsättningar. Ekvationen lyder: Årsvärmeproduktionen = absorberad solinstrålning - värmeförlust E = T x A x 705 - U x 37. [2]. Denna formel kallas "Karlssons formel" och har utarbetats av Björn Karlsson på Vattenfalls Älvkarlebylaboratorium. Värdena på T, A och U fås vid provning av solfångaren. Typiska värden för en vanlig villasolfångare är T = 0.85, A = 0.90 och U = 4.5 (W/m2,°C). Solfångarens medeltemperatur är 40°C. Absorberad solinstrålning bygger på mätdata från Stockholm (1986) som korrigerats till 705 kWh/m2 och år. Detta används då prestandan på solfångarna tas fram. Solfångarna som genomgått Sveriges Provnings- och Forskningsinstituts (SP) tester är väldokumenterade både vad gäller prestanda och kvalitet. Dessa finns redovisade i bilaga 1. När prestandan på solfångaren diskuteras talas det inte om effekten, i till exempel kW, eftersom den hela tiden varierar med solinstrålningen. Solfångarens prestanda anges i stället i en årsmedelproduktion. Dagens solfångare producerar i genomsnitt 400 kWh/m2 och år. Hur mycket som solfångarna kan förväntas producera i Arvidsjaur, Glommersträsk och Moskosel behandlas i kapitel 4.2.5.. 3.5 Solfångare Den viktigaste komponenten i en solvärmeanläggning är solfångaren. Under en tioårsperiod har prestandan mer än fördubblats och priset mer än halverats. Solfångarnas medelverkningsgrad ligger kring 50% av solinstrålningen vid normala arbetstemperaturer. Oljekrisen under 1970-talet gav en ordentlig skjuts på utvecklingen av solfångare. I dag dominerar den så kallade plana solfångaren både i Sverige och i Europa. Exempel på andra typer av solfångare är vakuumsolfångare, koncentrerande solfångare och 18.

(20) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. lågtempererade solfångare. De typerna som kan bli aktuella för anläggningarna i Arvidsjaur beskrivs mer detaljerat i kommande kapitel. Valet av solfångare påverkas främst av om det är fråga om utomhusbad eller ett kombinerat bad med både inomhusbad och utomhusbad. Oglasade solfångare är lämpligast för utomhusbad eftersom utbytet av dessa utanför badsäsongen är mycket lågt. Glasade solfångare är lämpligast för kombinerade bad där värmeproduktionen under vår och höst kan utnyttjas effektivt. Ovanstående slutsatser gäller i hela Sverige. I andra delar av världen gäller andra förutsättningar. Näst efter solinstrålningen har det visat sig att vindhastigheten är den viktigaste klimatfaktorn geografiskt. I stora delar av Norrlands kompenseras den något lägre instrålningen av att vindhastigheten är lägre i medeltal. Detta gäller också vid jämförelse mellan inlandsklimat och kustklimat. I det enskilda fallet påverkar dock lokala läeffekter från till exempel skog och hus mer än vad den geografiska skillnaden gör. 3.5.1 Om val och dimensionering Vid val och dimensionering av solfångare är det alltid ett samspel mellan hur mycket värme anläggningen kommer att ge tillsammans med hur mycket den kommer att kosta. Beräkningar av olika fall görs därför i kapitel 5 , 6 och 7 för att åskådliggöra dessa förhållanden, tillsammans med val av olika typer av solfångare. Ett par olika fabrikat kommer att jämföras för att eventuella prisskillnader mellan fabrikaten kan påverka typvalet av solfångare. Det är dock inte någon helt marknadstäckande undersökning som görs. Valen av fabrikat görs slumpmässigt utifrån de av Sveriges provning och Forskningsinstituts P-märkta solfångare (bilaga 1). Att komma ihåg är att utbytet som fås från solfångarna inte bara beror på den tillgängliga solinstrålningen. Även andra faktorer, som till exempel systemutförande, påverkar dessa värden. 3.5.2 Plana solfångare Plana solfångare är den vanligaste typen av solfångare idag i Sverige. Under det senaste årtiondena har utvecklingen gått framåt. Solfångaren, vars moduler blivit större för att reducera kantförlusterna, bärs upp av en bärande ram av metall exempelvis aluminium. På botten läggs en så kallad baksidesplåt. Mellan denna och absorbatorn placeras en isolering som täcks av en damm och diffusionsspärr. Därefter kommer absorbatorn vilket väl måste betraktas som den viktigaste delen. Det finns olika typer av absorbatorkonstruktioner. En variant består av ett kopparrör som invalsas mellan två aluminiumplåtar. Detta gör att en bra kontaktyta erhålls mellan absorbatorflänsen som solstrålarna träffar och kanalen som transporterar värmebäraren. Kanalen görs även rombisk för att turbulent strömning lättare skall uppkomma vilket ökar värmeöverföringen. En annan typ av absorbatorkonstruktion som tillverkas i Sverige är en kopparabsorbator där fläns och kanal svetsas ihop. Täckmaterialet i solfångaren utgörs normalt av härdat glas eller någon form av plastmaterial. Ett konvektionshinder kan placeras mellan absorbator och täckglas. En principskiss över hur en solfångare kan se ut i genomskärning visas i figur 3.4 nedan.. 19.

(21) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. Figur 3.4. Solfångare i genomskärning. 3.5.3 Vakuumsolfångare Vakuumsolfångaren har en god verkningsgrad även vid höga arbetstemperaturer. Tekniken kommer från lysrörskonstruktionen där en absorbator placeras i ett glasrör där vakuum råder. Vakuumet isolerar absorbatorn för att minska värmeförlusterna. Värmen i vakuumsolfångaren, som i sig är en sluten krets, växlas över till värmebäraren i solkretsen. I övrigt är systemet likadant som det för plana solfångare. Högre verkningsgrader vid höga arbetstemperaturer ökar användningsområdet och den bättre verkningsgraden innebär samtidigt att det behövs mindre solfångarytor. Vakuumsolfångarnas nackdel har varit det höga priset. 3.5.4 Lågtempererade solfångare Dessa solfångare har begränsade användningsområden på grund av att verkningsgraden är bäst vid låga arbetstemperaturer. De kallas ofta för poolsolfångare för att uppvärmning av utomhusbassänger är det vanligaste användningsområdet. Solfångarkonstruktionerna kan variera men det gemensamma är att de är förhållandevis enkelt uppbyggda. Dessa är i regel oglasade och oisolerade. Eftersom arbetstemperaturerna är låga vinns inte mycket på att isolera dessa. De eftersträvas att placeras i lä för att på de enkla sättet få ner värmeförlusterna. Om bassängvattnet skall användas som värmebärare tillverkas solfångarna i material som tål klorerat vatten.. 3.6 Solkrets Generellt kan sägas att systemtekniken i ett solvärmesystem är relativt enkel med få ingående komponenter (se figur 3.1 och 3.2). Det gör att det blir billig vad gäller inköp samt drift och underhåll. De vanligaste komponenterna är cirkulationspump, reglercentral, expansionskärl, avstängningsventiler, säkerhetsventil, smutsfilter, reglerventil och backventil. En kortfattad beskrivning av dessa komponenter ges nedan. 20.

(22) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. 3.6.1 Cirkulationspump Cirkulationspumpen är själva motorn i systemet. Den transporterar värmen från solfångaren till värmelagret. En reglercentral styr pumpen som startar när temperaturen i solfångarna överstiger den förutbestämda temperaturen i ackumulatortanken. Pumparna är relativt små i förhållande till den värmemängd som transporteras. I ett villasystem t.ex. varierar effekterna kring 35-80 W. Det räcker med ca 90 kWh i driftenergi för att erhålla upp till 4000 kWh solvärme [1]. Det är viktigt att pumpen är anpassad för den aktuella värmebäraren. Den bör också klara många och täta start och stopp. Med tanke på service och underhåll bör avstängningsventiler installeras i anslutning till pumpen. 3.6.2 Reglerventil Dessa används för att säkerställa ett jämt flöde genom alla solfångare. I större system kan en reglerventil monteras för varje grupp av solfångare. Vill flödena kunna kontrolleras kan en enkel flödesmätare monteras in. 3.6.3 Backventil -magnetventil Dessa typer av ventiler används för att inte ofrivillig självcirkulation med förluster som följd skall uppkomma. Det kan hända att självcirkulationen blir så kraftig så att inte den fjäderbelastade backventilen orkar hålla emot krafterna. En magnetventil som styrs via reglercentralen kan då istället användas. Vid val av ventiler bör kontrolleras att dessa tål mediet och temperaturen i systemet. 3.6.4 Filter Ett smutsfilter är nödvändigt att ha i systemet. Det förhindrar driftstörningar som annars kan uppkomma i solfångaren, pumpen, värmeväxlaren eller ventilerna för att ta några exempel. Filtret bör rengöras med jämna mellanrum vilket bör framgå av leverantörens skötselmanualer. 3.6.5 Påfyllning och avtappning I indirekta system måste ventiler finnas för påfyllning och avtappning av systemet. Samma ventil används för att fylla på och tappa av solkretsen. Denna ventil bör placeras i systemets lägsta punkt. I större system är det vanligt att ett påfyllnadskärl och en fast monterad påfyllnadspump placeras i anslutning till kretsens lägsta punkt. Kärlet används som blandkärl för glykolblandad värmebärare och vid påfyllning av systemet. Eftersom de indirekta systemen oftast används under höst och vår då frysrisk finns används då oftast en glykolblandad värmebärare. Kärlet kan också användas som uppsamlingskärl vid övertryck då en spilledning dras från säkerhetsventilen till påfyllnadskärlet. Manuella luftare kan monteras på kretsens högsta punkt eller som automatisk avluftare på stamledningen för att underlätta påfyllnad och avtappning av systemet. 3.6.6 Expansionskärl Expansionskärlet tar upp volymökningen av värmebäraren och skall dimensioneras efter systemets volym och möjliga temperaturdifferenser. Arbetstemperaturerna kan variera avsevärt i ett solvärmesystem. På bara 21.

(23) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. några minuter kan temperaturen lokalt stiga med 50-60°C. I anslutning till expansionskärlet placeras i regel manometer, säkerhetsventil och spilledning till ett separat uppsamlingskärl. Det får inte finnas några avstängningsventiler mellan solfångarna och expansionskärlet. I de fall glykolblandat vatten är värmebärare är det lämpligt med ett tryckkärl. Genom att öka arbetstrycket till 4-6 bar höjs kokpunkten till 150-160°C, vilket ger större utrymme för övertemperaturproblem. Detta använd dock mest i mindre system exempelvis i villor. I större solvärmesystem som t.ex. i fjärrvärmeanläggningar kan tryckkärl med konstant trycksättning användas. Det finns även så kallade dränerande system där ett uppsamlingskärl placeras frostfritt under solfångarens lägsta punkt för att vanligt vatten skall kunna användas som värmebärare. Dräneringskärlet samlar då upp hela vätskevolymen från solkretsen. 3.6.7 Reglerutrustning Reglerutrustningen i ett solvärmesystem skall se till så att pumpen/pumparna går och ger flöde genom värmeväxlarna och solfångarna när det finns en nettoeffekt genom solfångarna, rörförluster och pumpenergi inkluderat. Cirkulationen i en solvärmekrets bör starta när solfångarens temperatur överskrider värmelagrets. Oftast används en differenstermostat med två temperaturgivare, en som placeras vid inlagringspunkten i värmelagret och en som placeras i solfångarna. Vid de relativt höga flödena som tillämpas krävs en noggrannhet av temperaturdifferensen på ca ±0,5°C. För att undvika oscillation och för att ta hänsyn till pumparbete och förluster måste en startdifferens på omkring 2-3°C och en stoppdifferens på 0,5-1°C kunna ställas in. Normalt är startdifferensen inställd på 5°C och stoppdifferensen på 2°C differens. En temperaturgivare brukar anslutas i ackumulatorns överdel för att denna temperatur även skall kunna läsas av. Ofta har differenstermostaten ett inbyggt överhettningsskydd som bryter cirkulationen i solkretsen när värmelagret uppnått en förinställd temperatur. Vanliga temperaturer för överhettningsskyddet är för en utomhuspool 28°C och för en ackumulatortank 95°C. En teknik som brukar tillämpas då solkretsen innehåller större volymer är att reglerutrustningen startar en interncirkulation av vattnet tills en önskad temperatur är uppnådd. Därefter startas växlingen till ackumulatortanken. Detta kallas tvåstegsuppstart. Alternativet är en trevägsventil som kopplas in före värmelagret. Detta kan även användas på poolanläggningar vilket kan ge en enklare och driftsäkrare teknik än den vanliga differenstermostaten. Det är viktigt att placera givaren rätt för att reglerutrustningen skall fungera korrekt. Bäst är om solfångargivaren kan placeras direkt i solfångaren eller åtminstone så nära som möjligt. Den måste också isoleras väl från omgivningstemperatur och vindlast. Givaren i värmelagret måste registrera den temperatur vid vilken nivå solvärmen ska levereras. En placering i nivå med värmeväxlaren kan vara lämplig. Det förekommer mer utvecklade reglerutrustningar på marknaden. De kan erbjuda både varvtalsreglering av pump som dokumentation av drifttider och till och med värmeproduktion från solfångarna.. 22.

(24) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. Anläggningen kan larmas för driftstörningar. Driftstörningar i cirkulationspumpar eller om övertemperatur uppstår skulle kunna vara möjliga larmpunkter. Detta kan kopplas till någon slags beredskapspersonal. 3.6.8 Olika värmebärare I direkta system för utomhuspooler fungerar det klorerade vattnet som värmebärare. I indirekta system är den vanligaste värmebäraren glykolblandat vatten. Vanligtvis är det en propylenglykol som används. Några problem och risker med glykol i solvärmesystem är bland annat att det visat sig att fryspunkten kan förändras över tiden eller om glykolblandningen utsätts för temperaturchocker. Glykolblandningens fryspunkt bör därför kontrolleras inför varje vinter. Propylenglykol blandat med aggressivt vatten kan också skada stamledningarna i kretsen. Var tredje till var femte år bör stickprov göras där en kemisk analys bekräftar glykolblandningens aggressivitet. En spilledning från solkretsens säkerhetsventil till ett uppsamlingskärl är nödvändigt för att inte glykolblandningen skall kunna komma ut i avloppet.. 3.7 Värmeväxlare Värmeväxlaren används i indirekta system. Dess uppgift är att överföra värme från solkretsen till värmelagret utan att blanda medierna i de olika systemen. Det ena mediet är det i solvärmekretsen och det andra mediet är det i värmelagret. Konsekvensen av att använda sig av värmeväxlare är ett större temperaturfall samt att två cirkulationspumpar måste användas. Båda pumparna styrs då av solvärmesystemets reglercentral. I solvärmesystem är de vanligaste principerna för värmeväxling antingen rörbatterier, som är ett spirallindat kamflänsbatteri av koppar, eller en rostfri plattvärmeväxlare. Vilken värmeväxlare som väljs och hur den skall vara dimensionerad beror av bland annat solvärmeanläggningens storlek, ackumulatortanken, flödet i solkretsen, temperaturintervallerna samt vilken typ av värmebärare som används. Används ett direkt solvärmesystem behövs följaktligen ingen värmeväxlare. 3.7.1 Rörbatteri Ett rörbatteri som monteras direkt i ackumulatortanken är vanligast upp till medelstora solvärmesystem. Batteriet brukar dimensioneras så att den har en yta som motsvarar minst 30% av solfångarytan. Batteriet skall placeras på så sätt i ackumulatortanken så att temperaturskiktningen i tanken främjas och att solvärmen får arbeta mot så låg temperatur som möjligt. Det leder till att en så låg placering av värmeväxlaren skall eftersträvas som möjligt. Temperaturskiktningen kan förstärkas genom att ansluta dubbla rörbatterier för tappvarmvattnet. Detta åskådliggörs i figur 3.5. Verkningsgraden i detta fall är förhållandet mellan erhållen tappvarmvattenstemperatur (utan tillsatsvärmning med hjälp av elpatron) och det inkommande vattnets temperatur från solfångaren. Verkningsgraden ökar från under 40% i fall a) till upp emot 70% i fall b). Om de dubbla värmeväxlarna ersätts med en utanpåliggande plattvärmeväxlare kan verkningsgraden stiga ytterligare till 23.

(25) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. ca 80%. Det vita som syns på tankens vänstra del är elpatronen vars uppgift är att värma upp vattnet ytterligare i de fall då inte solvärmen räcker till.. Figur 3.5. a)Inbyggd värmeväxlare för tappvarmvatten. b) Dubbla värmeväxlare för tappvarmvatten. 3.7.2 Plattvärmeväxlare Externa plattvärmeväxlare används i större solvärmesystem och till ackumulatortankar utan kamflänsbatteri. Värmeöverföringen i en plattvärmeväxlare är i regel effektivare än i andra värmeväxlare. Rekommendationen är därför i storleksordningen 0,4-0,6 m2 värmeöverföringsyta till en anläggning på 10 m2 solfångare. Plattvärmeväxlarna dimensioneras vanligtvis så att ett temperaturfall på ca 5°C uppkommer mellan medierna. Dvs är vattnet från solfångarna 60°C så ger det en utgående vattentemperatur i det uppvärmda vattnet på 55°C.. 3.8 Värmelager Värmelager används till att lagra värmen från produktions till konsumtionstillfället. Det finns olika typer av värmelager. Säsongslager där värmen lagras från sommaren till vintern och korttidslager då värmen lagras mellan mer och mindre soliga dagar. Användningen av korttidslager sker i första hand för att skapa effektutjämning i fjärrvärmenät och gruppcentraler. Korttidslager för villamarknaden dimensioneras för att under sommarhalvåret kunna klara 2-3 dagars värmebehov. Exempel på större värmelager är ståltankar, groplager, bergrumslager, lerlager och saltlager. Saltlager kallas också för kemisk värmepump, vilket är det namn som kommer att användas fortsättningsvis. Tekniken är intressant som en eventuell framtida säsongslagring av solvärme. Eftersom det i dessa aktuella fall primärt är småskaliga värmelager som används, så kommer 24.

(26) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. ackumulatortankar att studeras som en eventuell lösning på korttidslagringen. 3.8.1 Kemisk värmepump Principen för den kemiska värmepumpen är att med hjälp av en värmekälla torka salt, vilket innebär att värme lagras i saltet som bindningsenergi. När sedan vattenånga kontrollerat tillförs frigörs samma mängd värmeenergi som gick åt för att torka saltet. Lagringen har i princip ingen tidsbegränsning, det gäller bara att hålla saltet torrt. Värmen lagras i detta fall i form av kemisk energi. Forskare har nyligen löst problemet med förpackningen samt förmågan att snabbt överföra värmeinnehållet från saltet. Finansiärer söks nu för att komma igång med produktionen. Denna teknik har stora möjligheter att ge nya dimensioner och möjligheter för bland annat solvärmen. 3.8.2 Ackumulatortank Solvärmen måste kunna lagras från produktionstillfället till konsumtionstillfället eftersom inte solinstrålningen kan regleras. Till det kan en ackumulatortank användas som värmelager. Ackumulatortanken gör det också möjligt att kunna kombinera solvärmen med andra energislag. Volymen på ackumulatortanken bestäms av värmelasten samt vilken värmekälla som skall användas. Eftersom olika värmesystem kräver olika stora ackumulatortankar kan det bli aktuellt med att dela upp ackumulatortanken i flera enheter. Exempel på detta kan vara olja kombinerat med solvärme. Beroende på systemutformningen motsvarar ackumulatortankens volym 50-100 liter per m2 solfångaryta. Underdimensioneras volymen på ackumulatortanken leder det till att arbetstemperaturen stiger, värmeförlusterna ökar och således minskar verkningsgraden. Väljs för stora dimensioner på ackumulatortanken resulterar detta i en för långsam temperaturstegring. Verkningsgraden kan till och med öka, men det tar för lång tid att uppnå önskad konsumtionstemperatur, med konsekvensen att andelen tillsatsvärme kan komma att öka.. 3.9 Material Ett generellt råd är att kontrollera att materialen i systemet klarar av värmebäraren med de temperaturer och tryck som den anläggningen alstrar. När det gäller direktkopplade system är det viktigt att solfångarnas material tål bassängvattnet. Polymermaterial såsom polypropylen, polyeten och EPDM-gummi av rätt kvalitet klarar kraven bra medan metalliska material har benägenhet att vilja korrodera. Hålls dock pH värdet över 7,2 och vattenhastigheten under 1,5 m/s klarar koppar kraven bra. Ligger drifttemperaturerna under 50-60°C är det möjligt att använda sig av syrafast rostfritt stål. I indirekta system kan galvanisk korrosion uppstå om olika material blandas samtidigt som lite syre läcker in i systemet. Polymermaterial måste vara av sådan kvalitet att de tål utomhusmiljö under. 25.

(27) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. En solvärmeanläggnings olika delar. tillräckligt lång tid. Utomhusmiljön karaktäriseras av kombinationen av UVstrålning, fukt och temperatur.. 3.10 Bassängtäckning En mycket stor del av värmeförlusterna från en bassäng sker från vattenytan. Den klart största delen av värmeförlusterna sker då vatten övergår från vätska till ånga (dvs. vatten avdunstar) vilket sker kontinuerligt vid vattenytan. Detta åskådliggörs i Kapitel 4. Om vattenytan täcks då bassängen inte används kan förlusterna reduceras avsevärt. En reduktion av värmeförbrukningen av storleksordningen 40% är realistiskt att förvänta sig [1]. Det finns flera olika typer av material att välja på. Enkla plastfolier eller dubbla plastfolier med isolerande mellanskikt av till exempel luft eller cellplast. Folierna kan vara genomskinliga. Då utnyttjas solinstrålningen direkt mot bassängytan effektivare då bassängen inte används. Den viktigaste funktionen för bassängtäckning är dock att minska avdunstningsförlusterna. Bassängtäckningen måste utformas så att inte vatten kan lägga sig på översidan av den. Om täckningen läggs ut felaktigt kan vatten lägga sig på den. Regnvatten kan även bli kvar på täckningen. Avdunstningen från dessa ovanliggande vattenytor kyler i så fall bassängen nästan lika effektivt som om täckning inte fanns.. 26.

(28) Solvärmeteknik för badanläggningar i Arvidsjaurs kommun. Analys. 4 Analys För att på ett enkelt sätt åskådliggöra problem och redovisa beräkningar behandlas detta separat. Ett problem kan vara att kunna kontrollera att det maximalt tillåtna trycket för solfångare i direkta system inte överskrids. Beroende på vilken tid av året en anläggning är tänkt att användas kan en optimerad solfångarlutning för den användningstiden och den platsen beräknas, så att maximalt med solinstrålning kan tas emot. För att SPs tabellerade värden (bilaga 1) på solfångarnas värmeproduktion på ett enkelt sätt skall kunna översättas till förhållandena i Arvidsjaur kan en omräkningsfaktor tas fram. Därefter behandlas värmeförlusterna i en utomhuspool för att visa på var de största förlusterna finns. Metoderna för de ekonomiska beräkningarna sammanställs sist i detta kapitel. En del i detta analyskapitel visar också hur återbetalningstiden för solvärmeanläggningen beräknas.. 4.1 Tillåtet tryck I kapitel 3.1.6 sägs att det är viktigt att kontrollera så att inte det maximalt tillåtna övertrycket i en solfångare överskrids. Gällande värde beror på fabrikat och eventuella garantivillkor. Detta gäller speciellt solfångare i direkta system som är tillverkade av något polymermaterial. Ekvation 3 beskriver sambandet mellan placeringen av solfångaren i förhållande till poolen och systemets olika tryck [7]. Solfångarens höjd kan variera beroende hur den är monterad, exempelvis lutande. Den lägsta punkten hos solfångaren är alltid den punkt som skall sättas till hsf oavsett om solfångaren är placerad ovanför eller under bassängytan. P = ∆Psf + ∆Pre - ρg(hsf - hba). [3]. P = Övertrycket i absorbatorn relativt omgivningen vid solfångarens inlopp [Pa]. ∆Psf = Tryckfallet över solfångarabsorbatorn [Pa]. ∆Pre = Tryckfallet i returledningen [Pa]. ρ = Värmebärarens densitet [kg/m3]. Vatten med temperaturen 25ºC och atmosfärstryck har en densitet på 997 kg/m3. g = Tyngdaccelerationen [m/s2]. I Arvidsjaur är den 9.82 m/s2. hsf = Solfångarens höjd från en referenspunkt, exempelvis markytan [m]. hba = Bassängytans höjd från referenspunkten [m]. Figur 4.1 illustrerar ett fall med solfångaren placerad ovanför bassängytan, vilket kan skapa undertryck nära utloppet från solfångarna. Detta kan försvåra dräneringsfunktionen. Den statiska tryckskillnaden hjälper i detta fall (figur 4.1) till att reducera trycket i absorbatorn så att ett högre tryckfall kan accepteras i solfångare och returledning. 27.

No results found