Σύστημα ηλιακής θέρμανσης αέρα - Πειραματική μελέτη κατάλληλων υλικών και διατάξεων

Abstract

Η παρούσα εργασία έχει σαν αντικείμενο την μελέτη κατάλληλων υλικών και διατάξεων για την κατασκευή συστημάτων ηλιακής θέρμανσης αέρα με σκοπό την αξιοποίηση της ηλιακής ακτινοβολίας για τον κλιματισμό των κτιρίων. Σε πρώτη φάση γίνεται μια θεωρητική προσέγγιση του αντικειμένου, εξετάζοντας το ενεργειακό δυναμικό της ηλιακής ακτινοβολίας αναλύοντας την ηλιακή τροχιά και τις γωνίες πρόσπτωσης στο έδαφος, τις δυνατότητες αξιοποίησής της και κατά πόσο είναι εφικτή η κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των κτιρίων σύμφωνα με τους κανόνες θερμικής άνεσης. Μελετάται η στάθμη της τεχνολογίας των ηλιακών συστημάτων έως σήμερα, η συμπεριφορά του αέρα ως ρευστό καθώς και η συμβολή, επιρροή και συνεισφορά κατάλληλων υλικών για την κατασκευή διατάξεων αυξημένης απόδοσης. Στη συνέχεια πραγματοποιείται μία πειραματική εφαρμογή ήπιου ενεργητικού ηλιακού συστήματος θέρμανσης, βασισμένου στην αρχή λειτουργίας του «ηλιακού τοίχου». Εξετάζονται διάφορα υλικά κατασκευής που προσαρμόζονται σε δύο πανομοιότυπες βασικές διατάξεις έτσι ώστε να είναι εύκολη η σύγκρισή τους. Από την ημερήσια καταγραφή των αναπτυσσόμενων θερμοκρασιών υπολογίζεται η συνεισφορά του κάθε υλικού στην απόδοση του συστήματος. Έπειτα, επιλέγονται τα δύο επικρατέστερα συστήματα και υπολογίζεται γι αυτά η ημερήσια απόδοσή τους. Τέλος, πραγματοποιείται μία οικονομική αποτίμηση της εφαρμογής των ανωτέρω συστημάτων υπολογίζοντας τον χρόνο απόσβεσής τους βάσει των κλιματικών δεδομένων της περιοχής των Αθηνών και συγκρίνοντας τα με άλλα βασικά συστήματα θέρμανσης κτιρίων.

The purpose of the present project is to study appropriate materials and experimental setups for the construction of solar air-heating systems, in order to utilize solar energy for the air-conditioning of buildings. Firstly, the topic is theoretically approached by evaluating the energy capacity of solar radiation and observing the solar orbit and the angle of incidence on the ground, its usability and the feasibility of reaching the energy needs of buildings according to the thermal comfort rules. Moreover, we present an overview of the current state of the art of solar systems, we study the behavior of air as a fluid and we review the contribution and the effects of appropriate materials for the construction of maximum-efficiency setups. Secondly, we proceed with an experimental application of a mildly active solar air-heating system, based on the operating principle of the “solar wall”. Furthermore, we examine several different construction materials by adjusting them on two identical experimental setups, that provide easy comparison. We then calculate the contribution of each material on the efficiency of the system by logging daily temperature data that we record from the different setups. Moreover, we choose the two prevailing systems and we calculate their daily efficiency. Finally, we make an economic evaluation of the application of the aforementioned systems by estimating their payback time - taking into account the climate data of the Athens area - and comparing them to other basic heating systems.