Performances of Flat-Plate and CPC Solar Collectors in Underfloor Heating Systems

Abstract

ABSTRACT: There is a growing interest in using solar energy in the underfloor heating systems. However, the large areas required for the placing of the solar collectors can be discouraging, especially for the apartment buildings. The objective of this study is to investigate the possibility of using Compound Parabolic Collector (CPC) collectors to replace Flat-Plat collectors in solar energy underfloor heating systems. By this way, it is aimed to explore the feasibility of area reduction required by the collectors. Secondly, the temperature profiles of the circulating water loops and the concrete slabs are sought to be examined. The simulations were carried out under the winter weather conditions of the Cyprus. The system consists of solar thermal collectors, a storage tank and circulation of water to carry the heat to 4 floor slabs. The results of the simulations show that, a CPC collector which is commonly used in producing high grade heat can work more effectively with less area occupied in this system. It is observed from this study that the outlet fluid temperature of this collector is between 25 to 95 °C, compared to that of Flat-Plate collectors which is between 25 and 75 °C. The simulations suggest that a 2 m² CPC collector can perform satisfactorily to match the job of 8 m² Flat-Plate collectors. The heat that is stored in the tank can supply hot water at a temperature of 60 °C which is reduced to 45 °C after mixing with cold return water before entering the floor slabs. The estimated slab temperature is approximately 24 °C which is compatible with the standards. Fluid which is passing through the slabs will eventually lose its temperature as the heat transfer occurs from the slabs to the environment. Consequently the fluid outlet temperature is observed to be approximately 25 °C. Key Words: Solar energy, Floor Heating, TRNSYS, Cyprus.

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

ÖZ: Güneş enerjisi ile çalışan yerden ısıtma sistemlerine olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Güneş kollektörleri için gereken geniş alanlar özellikle apartman uygulamalarında büyük bir sorun oluşturmakta ve tüketicilerin bu sistemleri kullanmalarında onları olumsuz yönde etkilemektedir. Bu çalışmanın amacı, düz levha güneş toplayıcılarının yerine, daha az alana ihtiyaç duyan bileşik parabolik güneş toplayıcılarının (BPT) kullanılabilme olasılığını incelemektir. Böylelikle güneş toplayıcıları için gereken alanın daha aza indirilmesinin ne kadar fizibll olduğu araştırılmış olacaktır. Ayrıca sistemde devridaim eden su döngülerinin ve beton döşemelein sıcaklık profilleri de hesaplanacaktır. Simulasyonlar Kıbrıs’ın Kış şartları dikkate alınarak kurgulanmıştır. Sistem güneş termal toplayıcılardan bir depolama tankı ve sıcak suyu 4 döşemeye taşıyan bir devri daim sisteminden oluşmaktadır. Elde edilen sonuçlar yüksek sıcaklıkta ısı üreten BPT’lerin daha az alan kullanarak daha etkili çalıştığını ortaya koymuştur. Bu toplayıcıların çıkış suyu sıcaklığının 25 ile 95 °C arasında değiştiği gözlemlenmiştir. Ayni simulasyon düz levha toplaycılarında gerçekleştirildiğinde toplayıcı çıkış suy sıcaklığı 25 ile 75 °C arasında değişiyordu. Simulasyonlar 2 m² lik BPT toplayıcılarının 8 m² lik düz levha toplayıcıların verdiği performansa eşdeğer bir performansı rahatlıkla yerine getirdiğini gösterdi. Tankta depolanan ısı tank çıkışında 60 °C sıcak su elde edilmesine olanak sağladığından döşeme altlarına bu suyla dönüş suyunun karışımından elde edilen 45 °C sıcaklığındaki su arzedildi. Döşeme sıcaklıkları standardlarla uyumlu olması gerektiği gibi 24 °C civarında olacağı hesaplanmıştır. Döşeme içinden gelen akışkanın sıcaklığı, çevreye yapılan ısı transferinden dolayı, sonunda düşer. Bu yüzden dönüş suyu sıcaklığı yaklaşık olarak 25 °C olduğu gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, yerden ısıtma, TRNSYS, Kıbrıs.