Bepaling opbrengst R&R Energydak en invloed op bodemsysteem in combinatie met warmtepomp

Transcriptie

1 TNO-rapport 2006-D-R0707/B2 Bepaling opbrengst R&R Energydak en invloed op bodemsysteem in combinatie met warmtepomp Bouw en Installaties Van Mourik Broekmanweg 6 Postbus AA Delft T F Datum september 2006 / januari 2007 Auteur(s) Ing. H.P. Oversloot Ir. C.P.J.M. Geelen Aantal pagina's 19 Aantal bijlagen 1 Opdrachtgever R&R Systems B.V. Projectnaam Opbrengst Energydak Projectnummer / /01.01 Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, foto-kopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder voorafgaande toestemming van TNO. Indien dit rapport in opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verplichtingen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betreffende terzake tussen de partijen gesloten overeenkomst. Het ter inzage geven van het TNO-rapport aan direct belang-hebbenden is toegestaan TNO

2 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 Samenvatting De firma R&R Systems B.V. heeft een concept voor energiedaken ontwikkeld voor ruimteverwarmingssystemen met een warmtepomp in combinatie met een bodemopslag. Het dak wordt hiervoor voorzien van een collector die is opgebouwd uit een smalle module met een aan- en afvoerheader aan de gootzijde van het dak. De opbrengst van dit Energydakconcept is bepaald door middel van metingen en berekeningen. De metingen zijn uitgevoerd volgens de Europese norm EN , waarbij de opbrengst is bepaald volgens de Quasi-Dynamische Test methode (QDT). Deze metingen werden uitgevoerd onder buitenomstandigheden aan een testdak van bruto 9 m 2. Met de collectorformule kan de energieopbrengst van het dak bepaald worden afhankelijk van hoek van inval van de straling, rekening houdend met de direct/ diffuus verdeling, de windsnelheid, uitstraling en thermische massa. Met behulp van de collectorformule is de benodigde oppervlakte bepaald voor het regenereren van een bodemopslag voor een referentiewoning met een netto warmtevraag voor ruimteverwarming van 18,4 GJ. Hiervoor is gebruik gemaakt van het TRY klimaatjaar voor de Bilt. Voor de referentiewoning is een collectoroppervlakte van 8,3 m 2 benodigd voor volledige regeneratie van de bodem zonder koelvraag van de woning. De invloed van de dakhelling blijkt hierbij verwaarloosbaar aangezien in deze toepassing het systeem meer functioneert als warmtewisselaar dan als zonnecollector. Voor andere toepassingen waarbij de nadruk meer op de zoninvang ligt kan de dakhelling wellicht wel een rol spelen. Wanneer de woning bovendien gekoeld wordt met ca. 5,7 GJ per jaar uit de bodem is het benodigde Energydak oppervlak 4,9 m 2. Het bodemsysteem kan door toepassing van het Energydak (bij volledige regeneratie) 16% (zonder koelvraag aan de bodem) resp. 9% (met koelvraag aan de bodem) kleiner worden. Bij toepassing van 20 m 2 Energydak bedraagt deze reductie 29% resp. 26%. Deze waarden zijn geldig bij een ontwerptemperatuur voor het bodemsysteem van 0 C (laagst toelaatbare gemiddelde van aanvoer en retour bij piekbelasting). Bij andere ontwerptemperaturen en/of systeemconfiguraties resulteren afwijkende oppervlakken en reductiepercentages.

3 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 Inhoudsopgave 1 Inleiding Bepaling collectoropbrengst volgens EN Het collector model volgens EN De Quasi-Dynamische Testmethode De collector testloop Resultaten Resultaten QDT test Jaaropbrengstberekeningen Conclusies en aanbevelingen Referenties Verantwoording Bijlage(n) A Testreport...15

4 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 1 Inleiding De firma R&R Systems B.V. heeft een concept voor energiedaken ontwikkeld voor ruimteverwarmingssystemen met een warmtepomp in combinatie met een bodemopslag. Het dak wordt hiervoor voorzien van een collector die is opgebouwd uit een smalle module met een aan- en afvoerheader aan de gootzijde van het dak. De opbrengst van dit Energydakconcept is bepaald door middel van metingen en berekeningen. De metingen zijn uitgevoerd volgens de Europese norm EN , waarbij de opbrengst is bepaald volgens de Quasi-Dynamische Test methode. Deze metingen werden uitgevoerd onder buitenomstandigheden aan een collector van bruto 9 m 2. Met de QDT methode kunnen de collectoreigenschappen bepaald worden afhankelijk van hoek van inval van de straling, rekening houdend met de direct/ diffuus verdeling, windsnelheid, uitstraling en thermische massa. Het project is uitgevoerd in het kader van de voucherregeling van SenterNovem.

5 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 2 Bepaling collectoropbrengst volgens EN Deze Europese norm maakt deel uit van een pakket van een drietal normen betreffende kwaliteitstesten en opbrengstmetingen van collectoren en zonne-energie systemen. De norm EN voor zonnecollectoren bestaat op zich weer uit een drietal onderdelen, deel twee bevat de technische omschrijving van de proeven. Deze norm wordt eveneens gehanteerd voor complete keuringen van zonne-energiesystemen voor bijvoorbeeld het Solar Keymark of Zonnekeur. De norm omschrijft namelijk ook de beproevingen voor mechanische eigenschappen, zoals bevestiging, regendichtheid en bestandheid tegen thermische schokken. De bepaling van de opbrengst van collectoren door het vaststellen van de zogenaamde collectorformule wordt beschreven in hoofdstuk 6 van de norm. De norm omvat 3 methoden: 1. Binnentest met zonnesimulator; 2. Statische buitentest; 3. Quasi-dynamische buitentest. De eerste methode is de gebruikelijke methode met een kunstzon en identiek aan de in ISO 9806[2] beschreven methode. De tweede methode beschrijft een bepaling buiten onder statische omstandigheden dan wel met behulp van een zonnevolg installatie. Deze methode stelt zeer hoge eisen aan de toegestane variaties in de straling van de zon en aan de hoeveelheid diffuse straling. Deze methode is niet praktisch toepasbaar onder Nederlandse omstandigheden. Zonder een zonnevolginstallatie bestaat er hooguit slechts 1 uur per dag waarin gemeten kan worden en dat alleen bij dagen met uitzonderlijk mooi weer. De derde meest interessante methode betreft echter de zogenaamde Quasi-Dynamisch Testmethode (QDT). Deze methode is gebaseerd op een uitgebreider collectormodel, waarmee het mogelijk is zowel afgedekte als niet-afgedekte collectoren te beschrijven. De meting vergt wel een langere meettijd, waarbij de klimaatomstandigheden dienen te fluctueren, dit laatste is een typerende situatie in Nederland. De collectorformule wordt bepaald door een analyse op de meetdata waarbij de coëfficiënten worden gefit met een aantal statistische methoden.

6 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / Het collector model volgens EN De QDT methode is gebaseerd op een uitgebreid collectormodel met meer coëfficiënten. De toegevoegde coëfficiënten maken het ook mogelijk niet-afgedekte collectoren te beschrijven met hetzelfde model. In totaal zijn er maar liefst 9 coëfficiënten beschikbaar voor het beschrijven van de collector tegen slechts 3 uit het collectormodel voor statische beproeving onder de kunstzon. Het volledige model ziet er als volgt uit: Q. / A = F'(τα) en K θb(θ) G b + F'(τα) en K θd G d - c 6 u G* - c 1 (tm-ta) - c 2 (tm-ta) c 3 u (tm-ta) + c 4 (EL-σTa 4 ) - c 5 dtm/dt Kθb(θ) =1 - b0((1/cos θi) - 1) Verklaring termen: Q. / A = Nuttige opbrengst van de collector per m² F'(τα) en = Product van collector efficiency factor, transmissie en absorptie voor loodrecht invallende zonnestraling. K θb(θ) = Coëfficiënt voor hoekafhankelijkheid bundel straling K θd = Coëfficiënt voor afhankelijkheid diffuse straling G b = Bundel straling op het collectorvlak in W/m² G d = Diffuse straling op het collectorvlak in W/m² G * = Totaal aan straling op het collectorvlak in W/m² Tm = Gemiddelde vloeistof temperatuur over de collector C Ta = Buitentemperatuur C El = Langgolvige uitstraling W/m² U = Windsnelheid m/s dtm/dt = Tijdsafhankelijke afgeleide van de vloeistof temperatuur σ = Constante van Stefan-Boltzmann W/m²/K 4 Dit model beschrijft de hoekafhankelijkheid met de functie K θb (θ) en K θd. De coëfficiënten C 3 -C 6 zijn nieuw toegevoegd ten opzichte van de oudere ISO normen. Door deling links en rechts met de totale stralingshoeveelheid G* op het collectorvlak en weglating van de toevoegingen C 4 en C 6 ontstaat de tot dusver gebruikelijke beschrijving met T* met T*= (tm-ta)/g*. Hierbij is tm de gemiddelde vloeistof temperatuur en ta de omgevingstemperatuur. G*= G b + G d η= Q. / (A. G*) T*= (tm ta) / G* η= F (τα) c 1.T* - c 2.T*².G* - c 3.u.T* - c 5 dtm/dt/g*

7 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 Van de toegevoegde coëfficiënten geeft C 3 de temperatuursafhankelijke windinvloed en C 6 de windinvloed op het zogenaamde etanulpunt. De coëfficiënt C 4 geeft de invloed van de infrarood straling en C 5 de invloed van de warmtecapaciteit op de collector. De windinvloeden en infra-roodstraling laten toe niet-afgedekte collectoren te beschrijven. De coëfficiënt C 5 is nodig om de dynamische effecten van de buitenmeting te kunnen verwerken, waardoor veranderingen in stralingsniveau worden meegenomen. In de praktijk zullen niet al deze coëfficiënten van toepassing zijn omdat sommige effecten geen rol spelen of worden gedekt door gelijkaardige verandering in het samenspel van meerdere andere coëfficiënten. De norm bevat derhalve aanwijzingen hoe te handelen bij niet significante effecten. De stralingsafhankelijkheid wordt in feite dus gesplitst in een hoekafhankelijk deel voor bundel straling G b en een constant deel voor diffuse straling G d en in twee separate termen toegevoegd aan de F (tα). De in de norm gehanteerde coëfficiënt K θb (θ) is gebaseerd op de Ashrae formule. Dit is een ongelukkige keuze want deze beschrijving van de hoekafhankelijkheid vertoont een singulariteit en geeft negatieve uitkomsten bij grote hoeken van inval. Voor speciale collectoren laat de norm toe de hoekafhankelijkheid te beschrijven in meerdere vlakken met afzonderlijke coëfficiënten. 2.2 De Quasi-Dynamische Testmethode De methode is gebaseerd op het verrichten van een buitenmeting aan de collector opgenomen in een testcircuit. Hierbij worden tal van voorwaarden gesteld aan zowel het testcircuit als de meetcondities [1]. De meting beslaat meerdere dagen en deze hoeven niet opeenvolgend te zijn. De volgorde van meten kan naar eigen believen worden aangehouden. De te selecteren medium temperatuur houdt wel verband met de klimaatomstandigheden. Er hoeft slechts 1 temperatuur per meetdag te worden ingesteld. Er zijn in minimaal 4-5 dagen nodig. Het minimum stralingsniveau voor verwerking is 300 W/m². Er worden voor afgedekte collectoren vier temperatuur niveaus voorgeschreven ten opzichte van de omgevingstemperatuur. De maximum temperatuur is afhankelijk van de toepassing van de collector. Voor collectoren voor warm water productie bedraagt deze maximum temperatuur ta+60 C en voor niet-afgedekte zwembad collectoren geldt ta+15 C. Voor het vaststellen van de warmtecapaciteit en de veranderlijke verhouding tussen diffuus licht en bundelstraling voor de hoekafhankelijkheid dienen bewolkte dagen aanwezig te zijn in de meetperiode. Een aangesloten periode met uitsluitende heldere hemel is dus niet bruikbaar. De metingen dienen zowel meetpunten met veel wind (>4 m/s) als met weinig wind te bevatten. Als gedurende de metingen het minimum van 2 m/s niet gehaald wordt mag extra wind worden gegenereerd met ventilatoren. TNO heeft de metingen uitgevoerd met het gebruikelijke Mupdas meetprotocol. Hierbij is een sampletijd van 1 seconde aangehouden en een opslaginterval van 1 minuut. Bij de verwerking van de data zijn perioden van 5 minuten gebruikt. Voor de doorstroming is gebruik gemaakt van de testloop voor grote collectoren.

8 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / De collector testloop Voor het testen van de collectoren heeft TNO een testloop geschikt voor temperaturen tussen C bij maximaal 3 Bar testdruk. Aangezien voor het testen rond het etanulpunt de gehele invang van de collector moet worden weg gekoeld is een grote koelcapaciteit nodig, de huidige opstelling kan collectoren tot 20 m2 oppervlakte aan. Het schema van de gebouwde testloop ziet er als volgt uit: Debiet instelling Regelaar temperatuur Regelaar heater F T T 12 kw Heater NO NO P NO 0.6 m 3 koude buffer NO NO naar collector NC NO NC Warmtewisselaar naar koelmachine NO TNO outdoor collector testloop In deze testloop zijn zowel het benodigde debiet als de gewenste aanvoertemperatuur naar de collectoren afzonderlijk in te stellen. Het debiet wordt ingesteld met een 3 fasen toerengeregelde pomp. Dit is een drukleverende pomp, geen verplaatsingstype, vanwege de benodigde opvoerhoogte. De temperatuur wordt geregeld met behulp van de heater en een driewegklep. De klep regelt het wegkoelen van de warmte uit de collector, de verwarming de eventueel benodigde bijstook. Dit blijkt de stabiliteit van de temperatuur en debietinstelling ten goede te komen. Het debiet over de heater en de koeler bedraagt circa 0,4 kg/s. De koelcapaciteit van de testloop is uitgelegd op 20 kw.

9 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 3 Resultaten 3.1 Resultaten QDT test De resultaten van de QDT test zijn samengevat in tabel 1. Ter oriëntatie plaatsen we hier nogmaals de collector formule Q. / A = F'(τα) en K θb(θ) G b + F'(τα) en K θd G d - c 6 u G* - c 1 (tm-ta) - c 2 (tm-ta) c 3 u (tm-ta) + c 4 (EL-σTa 4 ) - c 5 dtm/dt Kθb(θ) =1 - b0((1/cos θi) - 1) Tabel 1. Samenvatting resultaten QDT test. Coëfficiënt R&R B0 0,092 - Kd 0,484 - F (tα) 0,964 - C1 7,74 W/m 2 K C2 0 W/m 2 K 2 C J/m 2 K C3 1,27 J/m 3 K C4 0 W/m 2 C6 0 s/m De regressiecoëfficiënt van het QDT model op de meetdata is met 0,94 voldoende te noemen. Deze grootte orde wil zeggen dat het model een goede beschrijving geeft van de meetdata. De datasets bevat circa 1500 meetpunten. De meetdata betreft een periode in juni De collector bleek ongevoelig voor het aandeel infraroodstraling aangezien coëfficiënt C4 niet-significant bleek. Dit is ongebruikelijk voor nietafgedekte collectoren echter een verklaring kan worden gezocht in enerzijds de tamelijk grote water inhoud en anderzijds de kunststof dakfolie als afdekking die beide vertragend werken. Bij afgedekte collectoren is het gebruikelijk dat deze coëfficiënt niet-significant is. Figuur 1 geeft de collectorcurve weer voor het voorgeschreven protocol. De hoekafhankelijkheid wordt weergegeven in figuur 2.

10 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 R&R collector instantaneous efficiency (Tm-Ta)/G m2.k/w Figuur 1. Weergave van de collectorcurve volgens de voorgeschreven protocol met klimaatparameters 800 W/m² (85% bundelstraling instralinghoek 15, 15% diffuus), Tambient 20 C. Angle dependancy Figuur 2. Weergave van de hoekafhankelijkheid van de collector voor zoninstraling. De bijgevoegde appendix geeft afzonderlijk inzicht in de resultaten. Hierin is ook een overzicht opgenomen van de meetdata zoals de norm voorschrijft.

11 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / Jaaropbrengstberekeningen Uitgaande van de bovenstaande collectorformule kunnen jaaropbrengstberekeningen worden uitgevoerd voor het Energydak systeem voor een woning. Daartoe dienen we het energieconcept in brede zin te beschouwen. Dit wordt geschetst met behulp van het onderstaande diagram. BODEM OPSLAG Figuur 3. Energie concept voor de berekeningen. De woning wordt verwarmd door middel van een warmtepompsysteem gekoppeld aan een laag temperatuur verwarmingssysteem (LTV). De energie wordt onttrokken aan een bodemsysteem uitgevoerd in de vorm van verticale bodemwarmtewisselaars. Het Energydak wordt gebruikt om de bodemopslag te regenereren. Er is geen directe koppeling tussen WP en Energydak. Voor de berekeningen is een referentiewoning gebruikt met een warmtevraag van 5,11 MWh (18,4 GJ; ca. 650 m3 gas) per jaar (excl. warmtapwater). Als gevolg van de COP van de warmtepomp wordt circa ¾ van deze energie aan de bodem onttrokken ofwel 13,8 GJ. Als deze energie volledig wordt aangevuld (door het Energydak) spreken van 100% bodemregeneratie. Wanneer het bodemsysteem ook (vrije) koeling levert is de netto warmteonttrekking aan de bodem lager. In de simulaties is gerekend met een koelvraag van 1,57 MWh (5,65 GJ) vrije koeling per jaar; dit betekent dat de warmtepomp niet wordt gebruikt in de koelsituatie, maar de koeling rechtstreeks door het bodemsysteem wordt geleverd. De netto warmteonttrekking aan de bodem is dan 8,15 GJ. De opbrengst van het energiedak in combinatie met de verticale bodemwarmtewisselaars is iteratief bepaald met behulp van het programma EED (simulatie van verticale bodemwarmtewisselaars) en het jaaropbrengstprogramma van TNO, waarin de meetresultaten van het Energydak zijn ingevoerd. De opbrengstberekeningen zijn uitgevoerd op uurlijkse basis voor een horizontaal dak. Voor het bodemsysteem is uitgegaan van gemiddelde maandtemperaturen die (na iteratie) horen bij het evenwicht tussen warmteonttrekking door een warmtepomp voor de woning en warmtelevering door het Energydak. Het TRY referentiejaar voor de locatie de Bilt is gebruikt voor de berekeningen. Wel is het nodig enkele aannamen te doen met betrekking tot de regeling van het systeem. De berekeningen zijn uitgevoerd voor een delta-t regeling die aanschakelt bij een temperatuurverschil met de omgeving van 0,5 C en uitschakelt 0,1 C. De invloed van de dakhelling is slechts gering doordat het aantal uren invang zonder zon veel groter is dan met zon. Er is een berekening gemaakt voor een zuid georiënteerd dak onder een hoek van 45 graden; daarbij ontstaat slechts een 8% hogere opbrengst. Het leeuwendeel van de energie-invang ontstaat door het temperatuurverschil tussen buitenlucht en

12 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 omgeving. Het systeem werkt dus meer als warmtewisselaar dan als zonnecollector. Dit betekent dat voor afwijkende dakhellingen de gegevens voor een horizontaal dak gehanteerd mogen worden om een minimale opbrengst te kunnen garanderen. Verdere uitgangspunten: Warmtepompsysteem: Monovalent, d.w.z. de WP levert de piekvraag en er is geen bijstookvoorziening Bodemsysteem Type bodemwarmtewisselaar: dubbele U-buis 32/26 mm (DN10) Opstelling: 3 * 1 Onderlinge afstand: 5 m Laagst toelaatbare mediumtemperatuur (gemiddelde van aanvoer en retour): 0 C Bodemgegevens (aanname, mengsel van zand en klei) Warmtegeleiding: 1,6 W/m.K Warmtecapaciteit: 2,4 MJ/m 3 Resultaten De opbrengstberekeningen zijn uitgevoerd voor verschillende netto-oppervlakken van het Energydak. Daarbij is ook de vereiste grootte van het bodemsysteem bepaald. Situatie A. Geen koelvraag uit woning Netto oppervlak Energydak Lengte bodemsysteem Reductie bodemsysteem Opbrengst energiedak (totaal) Opbrengst energiedak per m 2 [m 2 ] [m - [kwh [MJ/m 2 boorgat] per jaar] per jaar] referentie 0 3 * 35 n.v.t. n.v.t. n.v.t. 6 3 * 30,5 13% % regeneratie 8,3 3 * 29,3 16% * 27,7 21% * 25,0 29% Situatie B. Wel koelvraag uit woning Netto oppervlak Energydak Lengte bodemsysteem Reductie bodemsysteem Opbrengst energiedak (totaal) Opbrengst energiedak per m 2 [m 2 ] [m - [kwh [MJ/m 2 boorgat] per jaar] per jaar] referentie 0 3 * 32,9 n.v.t. n.v.t. n.v.t. 100% regeneratie 4,9 3 * 29,8 9% * 29,2 11% * 26,7 19% * 24,2 26%

13 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 4 Conclusies en aanbevelingen Met de collectorformule is de energieopbrengst van het Energydak in kaart gebracht. Met een geschikt rekenmodel kan met behulp van deze formule ieder Energydak concept doorgerekend worden voor een willekeurige dakhelling en klimaat locatie. Voor een systeem met warmtepomp waarbij het Energydak functioneert als regenerator voor de bodem is een oppervlakte van circa 8,3 m 2 toereikend om de bodem volledig te regenereren bij een woning met een netto warmtevraag van 18,4 GJ per jaar. Deze oppervlakte betreft de apertuur die betrokken is op de netto lamel oppervlakte, dit is dus zonder headers en overig dakbeslag nodig voor bevestiging. Wanneer de woning bovendien gekoeld wordt met ca. 75,7 GJ per jaar uit de bodem is het vereiste Energydak oppervlak voor volledige regeneratie 4,9 m 2. Het bodemsysteem kan door toepassing van het Energydak (bij volledige regeneratie) 16% (zonder koelvraag aan de bodem) resp. 9% (met koelvraag aan de bodem) kleiner worden. Bij toepassing van 20 m 2 Energydak bedraagt deze reductie 29% resp. 26%. Deze waarden zijn geldig bij een ontwerptemperatuur voor het bodemsysteem van 0 C (laagst toelaatbare gemiddelde van aanvoer en retour bij piekbelasting). Bij andere ontwerptemperaturen en/of systeemconfiguraties resulteren afwijkende oppervlakken en reductiepercentages. Gezien het feit dat de bodemtemperaturen veel lager liggen dan de voorgeschreven temperaturen voor het bemeten van de opbrengst van niet-afgedekte collectoren volgens de EN is het verstandig om de testomstandigheden aan te passen voor deze specifieke toepassing. Dit heeft zowel betrekking op de temperatuurrange voor de test als het minimum voor de straling van 300 W/m 2. Op deze wijze kan bijvoorbeeld het onttrekken van warmte uit condens worden bemeten, een conditie die normaliter bij zonnecollectoren niet voorkomt afgezien van regenachtige omstandigheden in het geval van niet afgedekte collectoren. Door het opnemen van meer uren dan volgens de norm strikt genomen noodzakelijk, geeft de gevolgde testprocedure in dit geval geen reden tot twijfel aan de bepaalde collectorcurve

14 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 5 Referenties [1] NEN-EN (en) Thermische zonne-energiesystemen en componenten- Zonnecollectoren- Deel 2: Beproevingsmethoden. [2] ISO Test methods for solar collectors : part1: thermal performance of glazed liquid heating collectors including pressure drop. [3] Applied regression Analysis, N.R. Draper, H. Smith, Wiley & Sons ISBN [4] Collector test method under quasi-dynamic conditions according to the European Standard EN S.Fischer, B. Perers, P. Bergquist, ISES 2001 Solar World Congress [5] Opbrengstberekeningen voor een energiedak in ontwikkeling bij R&R systems b.v. TNO rapport 2001-G&I-R29

15 TNO-rapport 2006-D-R0707 september / 15 6 Verantwoording Naam en adres van de opdrachtgever: R&R Systems B.V. Namen en functies van de projectmedewerkers: Ing. H.P. Oversloot Ir. C.P.J.M. Geelen Ondertekening: Goedgekeurd door: Ing. H.P. Oversloot Afdeling Koude, Warmte en Installaties Ing. A.A.L Traversari Afdelingshoofd Koude, Warmte en Installaties

16 TNO-rapport 2006-D-R0707 september 2006 Bijlage A.1 / 7 A Test report Performance test report for unglazed solar collectors under quasi dynamic test conditions D.1 General Collector reference R&R energy roof Test performed by: TNO Building and Construction Address: P.O. box 49, 2600 AA Delft, the Netherlands Date, Tel, Fax: june 2006, D.2 Solar collector description name of manufacturer: R&R Systems Collector: Type name: Energy roof Flat plate / evacuated / subatmospheric The roof under test is a specific constructed energy roof for testing with a collector/heat exchanger existing of embedded lamellae connected to a header pipe construction on the lower end (gutter side) of the roof. This construction is entirely covered in roof material of about 1 mm thickness. The thickness of construction is about 25 cm existing of metal carrying beams with a ply material construction with insulation. This test roof is equivalent to a standard roof construction for dwellings in the Netherlands. The entire roof construction can be tilted. The header pipe section is insulatied and not part of the absorber. Gross area: 4.0 x 2.20 = 8.8 m² = roof construction Aperture area: 3.58 x 1.75 = 6.27 m² area with imbedded lamellae Absorber area: 7.5 m² area including headers Weight empty: unknown Fluid content: 1.6 dm³ per m lamellae Number of covers: none Cover materials: Cover thickness: Number of tubes or channels: 11 per lamellae Tube diameter or channel dimensions: 22 mm connections on header pipes Tube or channel pitch: 14cm Heat transfer medium: water / oil / other Specifications (additives etc.): drainback collector Alternative acceptable heat transfer fluids: Absorber: Material: EP roof material cladded over Polypopyleen lamellae sections Surface treatment: Construction type:

17 TNO-rapport 2006-D-R0707 september 2006 Bijlage A.2 / 7 Dimensions: depending on number of lamellae Thermal insulation and casing: Thermal insulation thickness: available roof insulation Insulation material: usual EPS 10 cm thickness Casing material: Limitations: Maximum operation temperature: stagnation proof Maximum operation pressure: maximum test pressure 6 Bar. Other limitations:... Schematic diagram of solar collector: Photograph of the collector Figure 1: Collector.

18 TNO-rapport 2006-D-R0707 september 2006 Bijlage A.3 / 7 Schematic diagram of collector mounting: see photo Collector mounted on rack tested an angle of 2 degrees for drainage of rain water Method:outdoor / indoor Figure 2: Schematic diagram of the test loop: D.3 Test results Outdoor Indoor test method: steady state dynamic X mean solar irradiance: Latitude: type of the lamps: Collector tilt: 30 degrees shading of longwave radiation: yes no Local time at solar noon: 12.72h Longitude: 4.38 Collector azimuth: 0 Instantaneous efficiency curve based on aperture area and mean temperature of heat transfer fluid. Reference area: aperture area used for curve in m²: 6.27 m²

19 TNO-rapport 2006-D-R0707 september 2006 Bijlage A.4 / 7 R&R collector instantaneous efficiency (Tm-Ta)/G m2.k/w Figure 3: Presentation of collector curve for standardised conditions EN Aperture Fluid flowrate used for the tests: Gross collector area: m² Aperture area : 6.27 m² dm³/s (312 l/h) Q. / A = F'(τα)en Kθb(θ) Gb + F'(τα)en Kθd Gd - c6 u G* - c1 (tm-ta) - c2 (tm-ta)2 - - c3 u (tm-ta) + c4 (EL-σTa4) - c5 dtm/dt Kθb(θ) =1 - b0((1/cos θi) - 1)

20 TNO-rapport 2006-D-R0707 september 2006 Bijlage A.5 / 7 Table 1. Coefficients of collector formulae as fitted based on 6.27 m² aperture area. b Kd Fat c c2 0 Fit result not significant c c c6 0 Fit result not significant c4 0 Fit result not significant Overview of test data used for the processing of the collector formulae Tm-Ta vs Gcol all sequences 30 temperature difference Gtot [W/m2] Figure 4. Test data with respect to Tm-Ta vs. global radiation on collector plane for all test days operating temperature to 25C difference. angle vs Gcol all sequences angle of incidence Gtot [W/m2] Figure 5. Basic data of beam radiation vs. incidence angle.

21 TNO-rapport 2006-D-R0707 september 2006 Bijlage A.6 / 7 ratio Gdiff/Gcol vs Gcol all sequences 1 ratio diffuse/total Gtot [W/m2] Figure 6. Fraction of diffuse radiation. windspeed dependency windspeed [m/s] Gtot [W/m2] Figure 7. Data all sequences giving wind speed vs. global radiation in the collector plane. Effective thermal capacity C= JK-1/m² Determination: fitted as coefficient c5 in QDT test procedure Calculation: Indoors: Outdoors: QDT Incident angle modifier fitted as coefficient b0 in QDT test procedure

22 TNO-rapport 2006-D-R0707 september 2006 Bijlage A.7 / 7 Angle dependancy Figure 8. Of angle dependency factor calculated with B0 =