Techniczne wykorzystanie energii słonecznej zazwyczaj ogranicza się do wytwarzania c.w.u. Panuje pogląd, że ilość energii słonecznej w klimacie Polski jest zbyt mała i nie wystarcza na całoroczne ogrzewanie budynku. Sytuację mogłoby zmienić zastosowanie całorocznej akumulacji ciepła – umożliwiłoby to bowiem budowę systemu ogrzewania i klimatyzacji np. domu jednorodzinnego. 

     Jeden z możliwych wariantów akumulacji bazuje na suchym złożu ceramicznym przewiewanym gorącym powietrzem. Budowa stanowiska eksperymentalnego ze złożem jest jednak na tyle kosztowna, że we współczesnej technice zwyczajowo poprzedzana jest symulacyjną analizą numeryczną. Symulację rocznego cyklu pracy złoża, rozpocząć należy od rozważenia możliwych wariantów pracy systemu cieplnego. Dopiero na tej podstawie może powstać algorytm sterowania a następnie model matematyczny i program obliczeniowy. Program obliczeniowy pozwoliłby przeanalizować wpływ dodatkowego obciążenia złoża ciepłem wykorzystanym do napędu układu klimatyzacji eksploatowanej w sezonie letnim. Program pozwoliłby także wyznaczyć względny spadek mocy grzewczej w sezonie zimowym odniesiony do energii przekazanej do napędu urządzeń chłodniczych klimatyzacji. Obliczenia symulacyjne postanowiono prowadzić na modelu promieniowania słonecznego charakterystycznego dla klimatu Wrocławia oraz jego średnio-miesięcznych temperatur powietrza.

Koncepcja systemu cieplnego
     Łączna powierzchnia kolektorów płaskich stosowanych do wytwarzania c.w.u montowanych na domach jednorodzinnych zazwyczaj nie przekracza 10 m². Duża powierzchnia kolektorów dekomponuje pierwotną architekturę budynku oraz powoduje różnego rodzaju problemy montażowe. Dalsze zwiększanie powierzchni zamontowanych kolektorów płaskich, prowadzące nawet choćby i do zajęcia całej powierzchni dachu przynosi jednak ograniczone skutki cieplne. Temperatura wytwarzana w kolektorach płaskich limitowana jest zachodzącymi w nich zjawiskami wymiany ciepła. W warunkach krajowych temperatura takich kolektorów zazwyczaj nie przekracza 120^oC. Długotrwałe przechowywanie ciepła pozyskanego w kolektorach płaskich natrafia na bariery techniczne wynikające ze znacznych rozmiarów zbiorników wody jako akumulatora ciepła. Ograniczenie to pokonać można na różne sposoby: wykorzystując ciepło przemiany fazowej zamiast ciepła właściwego lub po prostu podwyższając temperaturę akumulacji ciepła. Osiąganie wyższych temperatur wymaga koncentrowania promieni słonecznych poprzez zastosowanie soczewek lub zwierciadeł, koncentrować można jednak tylko bezpośrednie promieniowanie słoneczne tracąc przy tym promieniowanie rozproszone. Dodatkowo, współpraca z układem optycznym wymusza bezpośrednie orientowanie kolektora na bieżące położenie Słońca. W jednym z wcześniejszych opracowań [1] rozważano różne warianty ruchomości skupiających kolektorów nadążnych. Jednym z możliwych wariantów był kolektor o nachylonej osi obrotu rys.1, którego zaletą jest względna łatwość realizacji technicznej centralnie położonego absorbera rurowego. Bazując na różnego rodzaju modelach obliczeniowych analizowano optymalne kąty pochylenia osi obrotu kolektora. (...)

Algorytm sterowania i model obliczeniowy
     We współczesnej technice w miejsce prowadzenia kosztownych eksperymentów laboratoryjnych, jako ich zamiennik proponuje się symulacyjne analizowanie zachodzących w nich procesów. Badanie prowadzi się na modelach obliczeniowych, przetworzonych do postaci programów komputerowych. Opracowanie programu a jeszcze wcześniej algorytmu sterowania systemem cieplnym wymaga szczegółowej analizy przepływu strumieni ciepła pomiędzy poszczególnymi elementami systemu. Analizowaną strukturę pokazano na rys. 4. Rozważano cztery podstawowe warianty pracy systemu cieplnego pokazane na rys 5:
● przy silnym promieniowaniu słonecznym ładowanie złoża akumulacyjnego ciepłem z kolektora,
● przy słabszym promieniowaniu słonecznym bezpośrednie ogrzewanie pomieszczeń ciepłem z kolektora,
● przy bardzo słabym promieniowaniu słonecznym, nocą lub zimą ogrzewanie pomieszczeń przez rozładowywanie ciepła ze złoża,
● podczas sezonu letniego schładzanie pomieszczeń pracą urządzenia klimatyzacyjnego napędzanego ciepłem rozładowywanym ze złoża. (...)

Wpływ dodatkowego obciążenia napędem urządzenia chłodniczego
     Widoczny na wykresie (rys. 7) poziom temperatury złoża w okresie letnim wynosi powyżej 200^oC. Poziom ten pozwala na bezpośredni napęd cieplny urządzeń chłodniczych lub klimatyzacyjnych. Stosowane mogą być obiegi absorpcyjne lub strumienicowe oraz ich kombinacje. Pozostawiając na razie na uboczu rodzaj zastosowanego obiegu zbadać można poziom mocy cieplnej jaką pobrać można w okresie letnim ze złoża bez jego nadmiernego rozładowania. Analiza rocznych zmian temperatury złoża pokazuje, że dysponuje ono w lecie pewną nadwyżką energii, której pobranie nie powinno wpływać na zimową kondycję złoża. Zjawisko to potwierdzić można przeprowadzając symulacyjne rozładowywanie złoża w miesiącach V-VIII. Wprowadzając do obliczeń symulacyjnych kilka poziomów mocy napędowej układu klimatyzacji otrzymuje się nieco różne przebiegi zmian temperatury złoża pokazane na rys. 8. System, którego przykład przytoczono wcześniej pod kątem wydajności grzewczej na poziomie 3,7 kW, w okresie zimowym można bez większych strat obciążyć podobną wartością mocy napędowej urządzeń klimatyzacji. Przy obciążeniu złoża mocą 3,7 kW napędu klimatyzacji, wydajność grzewcza spada o około 16% do poziomu 3 kW.

     Wcześniejsze analizy wykazały, że na poziom osiąganej wydajności grzewczej silnie wpływa stopień koncentracji lustra. Podwyższenie stopnia koncentracji z ×40 do ×60 pociąga za sobą około 40% przyrost wydajności grzewczej, w tym przypadku do poziomu 5 kW. Analizy przeprowadzone dla zmienionych założeń obliczeniowych systemu cieplnego wykazały (rys. 8), że złoże można w sezonie letnim obciążyć podobnym poziomem mocy napędowej układu klimatyzacji. W przypadku wyższego stopnia koncentracji złoże osiąga stosunkowo łatwo poziom górnego ogranicznika temperatury (400^oC), posiada ono przez to pewien nadmiar ciepła a obciążenie go mocą 5 kW napędu klimatyzacji powoduje już mniejszy niż poprzednio spadek wydajności grzewczej w okresie zimowym. Szerszy wpływ stopnia obciążenia złoża napędem urządzenia chłodniczego w sezonie letnim pokazano na rys. 10.

Wykorzystanie mocy napędowej obiegu chłodniczego
     Wykorzystanie pozyskanej mocy napędu urządzeń klimatyzacyjnych, jak już wcześniej napisano, może zostać zrealizowane w obiegach chłodniczych z bezpośrednim napędem cieplnym. Wysoki potencjał temperatury i poziom mocy rzędu kilku kW pozwala na realizację pracy małych, absorpcyjnych urządzeń chłodniczych: wodno-amoniakalnych lub bromolitowo-wodnych. Urządzenia takie zwyczajowo budowane są raczej na większe wydajności, dodatkowo obieg amoniakalny stwarza pewne zagrożenia dla ludzi co w nietypowym architektonicznie i cieplnie obiekcie mogłoby być kłopotliwe. Warty rozważenia jest więc także obieg strumienicowy np. z wodą jako czynnikiem roboczym – wysoka temperatura napędowa nie destabilizuje chemicznie wody a jej ciśnienie nasycenia (40 bar dla 250^oC) jest jeszcze realnie osiągalne. Przy założeniu temperatury odparowania +10^oC, która zapewnia jeszcze możliwości odwilżania powietrza w okresie letnim współczynnik efektywności chłodniczej COP nie przekraczałby 0,5 ale i nie spadał poniżej 0,25. Analogiczne założenie dla obiegów absorpcyjnych przynajmniej dwukrotnie podwyższyłoby efektywność urządzenia, kosztem jednak większej jego złożoności i mniejszego bezpieczeństwa eksploatacyjnego. (...)

Wnioski
     Autorzy przedstawili koncepcję domu jednorodzinnego zintegrowanego z systemem całorocznej akumulacji ciepła pozyskanego w skupiającym, nadążnym kolektorze słonecznym. W oparciu o ciepło zakumulowane w złożu zrealizować można zarówno ogrzewanie budynku w okresie zimowym jak i napęd cieplny urządzeń klimatyzacyjnych w okresie letnim.
     Przeanalizowano możliwe warianty pracy systemu grzewczo-klimatyzacyjnego, opracowano algorytm sterowania, model matematyczny zachodzących procesów cieplnych oraz program do ich symulacyjnego modelowania numerycznego. Za pomocą programu wykonano analizy wpływu dodatkowego obciążenia złoża w okresie letnim ciepłem pobranym do napędu urządzenia klimatyzacyjnego.
     Przeprowadzone analizy wykazały, że rozważany system grzewczy posiada w okresie letnim znaczne rezerwy energetyczne, pozwalające na bezpośredni napęd cieplny urządzeń chłodniczych (absorpcyjnych lub strumienicowych). Współpraca z kolektorem o wyższym stopniu koncentracji wykazuje mniejszą wrażliwość na obciążenie dodatkową mocą napędową urządzeń chłodniczych (klimatyzacyjnych).

LITERATURA
[1] J. KASPERSKI: Kolektory słoneczne stacjonarne i nadążne różnych stopni swobody w zastosowaniu do napędu urządzeń klimatyzacyjnych, Chłodnictwo&Klimatyzacja 11/2006.
[2] J. KASPERSKI, M. DANIELSKA: System grzewczy domu jednorodzinnego wykorzystujący energię słoneczną akumulowaną w złożu ceramicznym w cyklu całorocznym – model matematyczny i wyniki wstępne, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 4/2008 (w druku).
[3] Z. PLUTA: Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, OWPW, Warszawa 2000.
[4] J. KASPERSKI, A. DRZENIECKA-OSIADACZ, M. LEWKOWICZ: Symulacja gęstości promieniowania słonecznego w oparciu o aktynometryczne dane pomiarowe, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 4/2007.
[5] P. SUCHODOLSKI: Koncepcje pozyskania ciepła ze źródeł odnawialnych na potrzeby budynków energooszczędnych, Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja 3/2006.