Kombinovaný solární kolektor vzduch-kapalina

Abstract

Práce je založena na vývoji detailního matematického modelu kombinovaného solárního kolektoru, implementaci vyvinutého modelu do simulačního prostředí TRNSYS a validaci modelu v kapalinovém a vzduchovém provozním režimu. Pro experimentální validaci modelu byl vytvořen funkční vzorek kombinovaného kolektoru se třemi různými konstrukcemi absorbéru. Následně byl validovaný model použit pro analýzu potenciálu využití kombinovaných solárních kolektorů pro různé klimatické podmínky, pro různé druhy solárních systémů a pro rodinné domy s různou energetickou náročností. V úvodní části práce je provedena kritická literární rešerše. Cílem této rešerše bylo vytvořit kritický přehled současných znalostí na téma kombinovaného solárního kolektoru na bázi dvou teplonosných látek –vzduch/kapalina. Další část práce se věnovala vývoji matematického modelu kombinovaného solárního kolektoru založeného na detailním popisu jednotlivých režimů přenosu tepla v jednotlivých částech kolektoru. Model řeší iteračně vnitřní a vnější energetickou bilanci kolektoru při jednotlivých provozních režimech (ohřev kapaliny/ohřev vzduchu). Následně byla provedena validace vyvinutého modelu, detailní analýza nejistoty experimentálního měření a detailní analýza nejistoty matematického modelu. V následující části byla provedena analýza potenciálu využití kombinovaných kolektorů vzduch/kapalina. V rámci této analýzy byla provedena energetická analýza čtyř různých systémů pro rodinné domy s různou energetickou náročností za různých klimatických (Stockholm, Praha a Milan) a stejných provozních podmínek: systém pro přípravu teplé vody na bázi kombinovaných solárních kolektorů v režimu ohřevu vody, dva systémy pro přípravu teplé vody a ohřev větracího vzduchu na bázi kombinovaných solárních kolektorů a následně systém přípravy teplé vody a cirkulačního vytápění také na bázi kombinovaných solárních kolektorů. V závěrečné části práce pak byly porovnány výsledky s vytyčenými cíli. Kromě toho, byly uvedeny přínosy pro praxi i teorii a bylo nabídnuto další možné směrování výzkumu v oblasti kombinovaných solárních kolektorů.

The dissertation work is focused on the development of the detailed mathematical model of a dual air/liquid solar collector, implementation of the model in TRNSYS simulation environment, and the model validation in liquid and air operating modes. To provide the experimental validation of the created mathematical model, the functional sample of the dual collector with three different absorber configurations was created. Subsequently, the validated model was used to evaluate the potential of using dual air/liquid collectors for different climatic conditions, for different solar systems, and for family houses with different energy performance. Finally, the theoretical design optimization of the functional sample was provided for specific climatic conditions and for a specific collector application. Introduction is focused on the literature research. The main aim the research was to create a critical overview of current knowledge on the dual air/liquid solar collectors. The next part of the work was devoted to the development of the mathematical model of a dual solar collector based on a detailed description of individual heat transfer models in individual parts of the collector. The proposed model in general consists of two parts solved in iteration loops: the external energy balance of the absorber (heat transfer from the absorber surface to the ambient environment) and the internal energy balance of the absorber (heat transfer from the absorber surface into the heat transfer fluid). Furthermore, the model validation, the detailed uncertainty analysis of the experimental measurements and the detailed uncertainty analysis of the mathematical model were conducted. Subsequently, the validated model was used to evaluate the potential of using dual air/liquid collectors for different climatic conditions (Stockholm, Prague and Milan), for different solar systems, and for family houses with different energy performance. Four solar collector systems were compared with one another: solar domestic hot water system designed with dual air/liquid collectors used in water heating mode, two solar systems designed with dual air/liquid used for water heating and fresh air preheating, and solar system designed with dual air/liquid collectors used for water heating and space heating. In the last part of the work were results compared with stated dissertation targets. In addition, contributions for practice and theory were presented. Another possible direction for research in the field of dual air/liquid solar collector was also offered.