Portal de Periódicos da CAPES

Simulation and optimization of solar collection and storage for house heating

1968; Elsevier BV; Volume: 12; Issue: 1 Linguagem: Inglês

10.1016/0038-092x(68)90023-6

1471-1257

H. Buchberg, J.R. Roulet,

Solar Energy Systems and Technologies

The design of combined solar collection and storage systems for house heating requires careful integration and optimization to minimize unfavorable economics. Because the environmental factors are highly variable with time, hourly performance over a season must be considered to accurately assess economic problems. This study comprises annual simulation of system performance including the house, a flat plate solar collector, a water heat storage unit and an auxiliary heater, and the optimization to achieve a maximum allowable collector cost. Actual weather data for a design year stored on magnetic tape as hourly values are utilized in the study. The digital computer programs developed to make this study possible include a solar irradiation program, an implicit finite difference thermal analyzer program to calculate house heat load, a system simulation program utilizing the hourly weather, heat load and collector performance information to establish the state of the system at hourly intervals over a 1-yr period and an optimization program utilizing the ‘pattern search’ technique. Three modes of operation were investigated: 1. Maintenance of an upper and lower bound to the storage water temperature by means of the cessation of solar collection and utilization of auxiliary heating, respectively. 2. Use of auxiliary heat to maintain a minimum storage water temperature but starting when the water temperature drops to within a specified increment of the minimum temperature. 3. Use of auxiliary heat directly, allowing the storage water temperature to drop below the minimum value. La conception de systèmes combinés pour la captation et l'accumulation d'énergie solaire en vue du chauffage domestique, exige une intégration et une optimisation minutieuses pour minimiser une économie défavorable. A cause des facteurs ambiants extrêmement variables avec le temps, il faut tenir compte du rendement horaire sur la période de toute une saison afin d'évaluer avec précision les problèmes économiques. Cette étude comprend la simulation, sur la période d'un an, du rendement d'un système comportant la maison, un collecteur solaire à plaque plate, un élément de chauffage par accumulation à eau et un radiateur auxiliaire, et l'optimisation pour réaliser un collecteur au meilleur prix permissible. On utilise, pour cette étude, les données actuelles sur le temps pour une année recueillies sur une bande magnétique en tant que valeurs horaires. Les programmes pour ordinateurs numériques réalisés pour rendre cette étude possible, comprennent un programme d'irradiation solaire, un programme d'analyse thermique implicite et définie pour calcu-calculer la quantité de chaleur dans la maison, un programme pour le système de simulation utilisant les données métérologiques par heure, la quantité de chaleur et la performance du collecteur pour établir l'état du système à des intervalles d'une heure sur une période d'une année et un programme d'optimisation utili sant la technique de “pattern search”. Trois modes d'opérations ont été étudiés: 1. Le maintien d'une limite supérieure et inférieure pour la température de l'eau d'accumulation en cessant la captation de l'énergie solaire et en utilisant la chauffage auxiliaire, respectivement. 2. Utilisation du chauffage auxiliaire pour maintenir au minimum la température de l'eau d'accumulation, mais commencant quand la température de l'eau tombe jusqu'à une fraction spécifique de la température minimale. 3. Utilisation de chauffage auxiliaire directement, autorisant la chute de la température de l'eau d'accumulation au-dessous de sa valeur minimale. La realización de sistemas combinados de captación y almacenaje de energía solar con destino a la calefacción doméstica debe ser objeto de cuidadosa integración y optimación, reduciendo con ello a un mínimo las economías desventajosas. Como quiera que los factores del medio ambiente varían sensiblemente en funcion periódica, es necessario considerar el rendimiento horario de tal sistema durante una temporada para poder llevar a cabo un análisis exacto de la problemática económica. El presente estudio comprende una una simulación anual del rendimiento del sistema, incluyendo la vivienda; colector de energía solar de super-ficie plana; depósito de agua caliente y calefactor auxiliar, así como la optimación necesaria para hallar el coste máximo permisible del colector. El estudio hace uso de datos meteorológicos efectivos corresponientes a un año teórico, memorizados en cinta magnética a modo de valores horarios. Los programas de ordenador numérico preparados para este estudio comprenden un programa de irradiación solar; programa para analizador térmico de diferencia finita implícita, para calcular la demanda calorífica de la vivienda; programa de simulación del sistema basado en datos horarios del tiempo, demada calorífica y rendimiento del colector, para establecer el régimen del sistema a intervalos horarios durante el transcurso de un año; y un programa de optimación basado en la técnica de “análisis patrón”. Se investigaron tres modos de operación: 1. Conservación de un límite superior y otro inferior de la temperatura del agua almacenada, mediante cese de captación de la energía solar y empleo de calefacción auxiliar, respectivamente. 2. Empleo de calefacción auxiliar para mantener el agua almacenada a una temperature mínima, pero comenzando a partir del momento en que la temperature del agua desciende hasta un punto específico por encima de la temperatura mímima. 3. Empleo directo de calefacción auxiliar, permitiendo que la temperatura del agua almacenada descienda a menos del valor mínimo.