Integrace hybridního solárního systému do soutěžního domu FOLD House (II)

Abstract

FVT systém byl porovnán se samostatným fotovoltaickým a samostatným termálním systémem z energetického a ekonomického hlediska. Pro celoroční využití v klimatu Španělska i Dánska byl navržený FVT systém shledán přínosným v porovnání s oběma systémy odděleně. Použito bylo inovativní řešení pro střešní integrace a pro vzájemné spoje potrubí mezi panely.

Navržený FVT systém byl oceněn první místem v kategorii Integrované solární systémy (Solar system integration), v rámci soutěže SDE 2012. „Vysoce účinný a inovativní způsob integrace fotovoltaického a tepelného systému, které není dodatečným a s budovou nesouvisejícím zařízením, ale naopak tvoří jeho přidanou hodnotu, aniž by poutal přílišnou pozornost na sebe samo,“ řekl jeden z členů poroty o systému FVT při vyhlašování vítěze.

1. Úvod

Prototyp systému FVT, popisovaný v článku, byl navržen pro soutěžní dům „FOLD house“ v rámci mezinárodní studentské soutěže Solar Decathlon Europe (SDE) 2012 pořádané v Madridu, Španělsko, na podzim roku 2012. Návrh systému byl optimalizován jak pro běžné použití, tak pro kritéria daná pravidly soutěže SDE. Nároky byly kladeny na pozitivní energetickou bilanci při hospodaření s energetickými potřebami domu, za poskytnutí nejvyššího možného vnitřního komfortu.

2. Integrace FVT systému do TZB soutěžního domu „FOLD“

FVT systém se stal hlavním zdrojem energie pokrývající všechny energetické potřeby soutěžního dům „FOLD House“. Primární funkcí systému FVT bylo zajistit vhodné podmínky pro maximalizaci výroby elektrické energie pomocí aktivního vodního chlazení FV článků. „Odpadní“ teplo z FVT panelů sloužilo jako zdroj energie pro ohřev zásobníku teplé vody (TUV). Když byl teplovodní zásobník nabitý, chlazení probíhalo dále prostřednictvím 120 metrů hlubokého zemního vrtu, sloužícího jako sezónní úložiště tepla. Aktivní chlazení systému FVT tedy fungovalo ve dvou rozdílných režimech – „nabíjení TUV“ a „zemní chlazení“. Pro účely soutěže SDE byl zemní vrt simulován kompresorovou chladicí jednotkou o stejném chladicím výkonu jako zemní vrt. Při „zemním chlazení“ byla naměřena nejnižší provozní teplota na povrchu FVT panelů. Proto je tento režim nejefektivnějším pro produkci el. energie, ovšem za cenu vyšší spotřeby energie na cirkulaci delšího hydraulického systému, než při „nabíjení TUV“.

Dilema zda FVT panely tepelně izolovat či nikoli bylo rozhodnuto ve prospěch jejich izolace. Snížily se tepelné ztráty v režimu nabíjení zásobníku TUV, během kterého spolu s chlazením FVT panelů záleží i na teplotě doručené do zásobníku TUV. Aplikací izolace bylo také dosaženo lepší kontroly nad výstupní teplotou chladicí kapaliny z panelů a zvýšil se tak vliv regulace objemového průtoku v systému, která je zásadní pro optimalizaci a řízení chladících režimů.

3.1 Koncept tepelné části

Obr. 1 Axonometrie střešní tepené části FVT systému [6]

Střecha byla hydraulicky rozdělena do dvou polí. Pole A (3×3 FVT panely) a pole B (2×2 FVT panely), Obr. 1. Důvodem pro rozdělení na dvě nezávislá pole, se samostatnými přívodními a odvodními potrubími, bylo snížení rychlosti proudění za nižších tlakových ztrát. Rozdělení střechy do dvou polí také umožnilo nezávislou kontrolu režimu chlazení každého z polí.

Princip Drain-back

Oběžný systém tepelné části byl proveden dle principu „drain-back“ (tzv. s úplným vyprázdněním). Takové řešení umožňuje celoroční použití systému ve všech klimatických podmínkách a to za použití běžné pitné vodou jako teplonosné kapaliny, bez přidaných nemrznoucích aditiv, které normálně zapříčiňují nižší účinnost systému.

Drain-back oběžný systém je uzavřeným systémem, vyplněným vodou a částečně i vzduchem, který se při normálním běhu čerpadel shromažďuje v dran-back zásobníku. Drain-back zásobník, umístěný uvnitř tepelné obálky budovy, je v podstatě nejširším úsekem potrubí s nejnižší rychlostí proudění z celého systému a vzduch se tu tedy postupně hromadí. Při vypnutí oběhových čerpadel, vzduch z drain-back zásobníku opět přirozeně vystoupá potrubím vzhůru, obsadí horní část systému (vnější FVT panely). Vzduch stoupající potrubím vzhůru vytlačuje kapalinu, která silou gravitace steče vyspádovaným potrubím do drain-back zásobníku a nahradí vzduch, který se tu jinak zdržoval po dobu běhu čerpadel. Aplikace principu drain-back na systém FVT soutěžního dům FOLD je schematicky znázorněna na Obr. 2.

Smysl použití konceptu drain-back je v ochraně FVT panelů a potrubí umístěného v exteriéru před jejich poškozením vlivem rozpínání oběhové kapaliny při kritických podmínkách – teplota tuhnutí (mráz) nebo stagnace (teplota varu). Při dosažení kritických podmínek, nebo například při výpadku elektrického proudu, se zastaví oběhová čerpadla a exponovaná část systému je vyplněna vzduchem, který nezpůsobuje výše zmíněná poškození.

Použitím drain-back systému se dá zamezit i termosyfonickému efektu, při kterém se zásobník TUV sám tepelně vybíjí zpětnou samotížnou cirkulací přes střešní panely, které jsou vystavené chladu. Jev je častý za jasných letních nocí, kdy je teplo z panelů odváděno sáláním do noční oblohy.

V tepelném okruhu FVT systému nebylo nutné instalovat samostatnou expanzní nádobu. Vzhledem k začlenění drain-back zásobníku, který při běhu čerpadel pojme 75 litrů vzduch, sám zásobník sloužil jako expanzní nádoba. Všechna potrubí ve výškové úrovni nad drain-back zásobníkem byla provedena se sklonem minimálně 2 % směrem do drain-back nádrže, jak je vidět na Obr. 1. Čerpadla musí být umístěna pod úrovní dran-back zásobníku, aby byla stále zaplavena oběhovou kapalinou. Od chvíle, kdy se čerpadla spustí, je kapalinu zvedána do nejvýše položeného bodu hydraulického systému a vytláčí tak vzduch do drain-back zásobníku, kde zůstává, dokud oběhová čerpadla běží. Voda zásobníkem volně propadává, Obr. 2.

Obr. 2 Seřízení regulačních ventilů (vlevo), schéma tepelné soustavy FVT dle principu drain-back (vpravo)

Při volbě oběhových čerpadel je třeba neopomenout fakt, že vzduchová bublina do jisté míry přerušuje kontinuitu proudění kapaliny vzhůru a dolů a tak navyšuje dopravní výšku čerpadla.

Regulace a zapojení systému

Pro dosažení rovnoměrné teploty napříč každým z ochlazovaných střešních panelů (v polích A, B) byly kladeny požadavky na rovnoměrnost objemového průtoku v těchto panelech. Objemový průtok byl regulován „pasivně“ pomocí vhodně zvolených dimenzí potrubí ve FVT panelech.

Regulace proudění v rámci střešních polí byla provedena jednak „pasivně“ volbou dimenzí a zapojením potrubí v polích A, B a také „aktivně“ pomocí regulačních ventilů mezi panely v poli A. Rozmístění a velikost panelů v poli B umožnily zapojení „dle Tichelmanna“. Takové řešení nebylo možné v poli A, kde byly panely nepravidelné a tudíž s různými tlakovými ztrátami. Proto byly do pole A nainstalovány dodatečné regulační ventily pro zregulování průtoků mezi jednotlivými řadami panelů. Ventily byly přednastaveny podle výpočtů a následně seřízeny přesným měřením zprovozněného systému po sestavení soutěžního domu v Madridu.

Vzájemné spoje sousedních FVT panelů musely být navrženy jako rezebiratelné z důvodu transportu a opětovné stavby domu během soutěže a po jejím skončení.

Potrubí rozdělovače a sběrače FVT panelu, Obr. 3, bylo vyrobeno z tvrdé mědi ø 22×1 mm. „Podélné potrubí“, spojující obě „rozvodnice“ (dolní rozdělovač a horní sběrač), byly zvoleny o průměru ø 8×1 respektive ø 10×1 mm. Oba konce rozvodnic jsou připájeny na trubky z měkké mědi o stejném průměru. Konce sousedních panelů z měkké měděné trubky byly vzájemně spojeny pružnou nerezovou vlnovcovou trubkou se dvěma šroubeními Armaflex SO-SDN25-CU22, jak je vidět na Obr. 4.

Obr. 3 Testovaný FTV panel [6]

Obr. 4 Detail spoje sousedních FVT panelů

Jedním z nejtěžších úkolů při celém návrhu bylo vtěsnat celou výšku konstrukce FVT panelu a přilehlého potrubí včetně izolace do 60 mm vysoké dutiny ve střešním laťování. Detail této konstrukce je vidět na Obr. 4.

3.2 Koncept FV části

Obr. 5 El. okruhy fotovoltaické části FVT střešního systému [7]

Střešní pole FVT panelů bylo rozděleno do 6 samostatných elektrických okruhů, MPP1 až MPP6. Uskupení FV článků do příslušných okruhů následovalo hydraulické uspořádání tepelné části do řad FVT panelů. Každý z okruhů obsahuje FV články v zónách o stejné předpokládané provozní teplotě, Obr. 5.

Většina okruhů byla tvořena počtem 448 FV článků s maximálním napětím 298 V (0,66 V na článek) a zkratovým proudem 8 A. Celkový instalovaný jmenovitý špičkový výkon 10,8 kWp byl dodatečně snížen dvěma měniči na 9,2 kWp (vzhledem k omezením pravidly soutěže SDE na 10 kWp). Dohromady bylo použito 9914 FV článků o celkové aktivní ploše 50,81 m², Obr. 6.

Obr. 6 Střešní FTV systém z ptačí perspektivy

„FOLD house“ byl připojen k elektrické síti podle konceptu „Net metering“, kdy je energie nejprve spotřebována v samotném domě, přebytek anebo naopak nedostatek je řešen prostřednictvím veřejné elektrické distribuční sítě.

Výsledky a diskuse

Níže uvedené výsledky byly získány výpočtem a za pomocí TRNSYS dynamického simulačního nástroje s ročními klimatickými podmínkami pro města Madrid a Kodaň, Tabulka 1.

• Roční produkce el. energie pomocí systému FVT byla určena pro Madrid (Kodaň) na 11 391 kWh (7434 kWh) [5].
• 107 771 MJ (29 919 kWh nebo 1558,28 MJ/m²) primární energie bylo použito na výrobu 1266 kg FVT panelů (zabudovaná zdrojová energie). Přibližně 50 % zakomponované energie bylo nahromaděno jen ve FV článcích.
• Dle potenciálu globálního oteplování bylo ekvivalentně k množství energie potřebné na výrobu FVT panelů vypuštěno do ovzduší 6985 kg CO₂ (101 kg CO₂/m²).
• Navržený FVT systém za 2,6 roku vyrobí stejné množství energie, jako bylo použito na jeho výrobu. Dle ekologického aspektu výroby elektřiny pro Španělsko (energetický mix 0,294 kg CO₂/kWh [8]) systém FVT svou produkcí uspoří veškeré CO₂ zabudované při výrobě již za 2,1 roku.
• V Dánsku se systém energeticky vyplatí později než ve Španělsku vzhledem k méně příznivým klimatickým podmínkám, a to za 4,0 roky. Ekologická návratnost je ale překvapivě jen 1,5 roku. Produkce 1 kWh el. energie v Dánsku (převážně z uhlí) byla v roce 2012 podmíněna vypuštěním 0,611 kg CO₂ [8] do atmosféry. Konvenční produkce energie v Dánsku znamená téměř dvojnásobně větší ekologickou zátěž nežli ve Španělsku. Systém FVT, při stejném množství zabudovaného CO₂, je tedy v kontextu Dánska relativně šetrnější než ve Španělsku.
• Maximální tepelná účinnost FVT panelu 48 % byla naměřena, když byl FVT panel chlazen kapalinou o teplotě 20 °C a FV články byly neaktivní (pasivní) bez zapojeného el. odporu. Při aktivaci FV článků maximální účinnost klesla o 6 % na 42 %.
• Spojení elektrického a tepelného systému v jeden hybridní systém pozitivně ovlivnilo srovnávanou roční energetickou bilanci oproti oběma systémům samostatně. Mimoto oba nezávislé systémy (fotovoltaický a tepelný) by potřebovaly dvojnásobně více aktivní plochy než v případě FVT systému. Čistá roční energetická bilance pro Kodaň se navýšila o 2,6 % absolutně (respektive 12,9 % relativně) a o 3,3% (16,4 % relativně) pro Madrid, Tabulka 1.
• Doba návratnosti byla stanovena na 15 let, počítáno velmi konzervativní cestou a bez uvažovaného zdražování konvenčních energií. Pro dosažení doby návratnosti 10 let by musela výrobní cena tohoto FVT systému klesnout o 33 % anebo teplo z chlazení FVT panelů by muselo být využito chytřejším způsobem, který by zajistil celkové úspory energie 33 %.
• Prototyp systému FVT popisovaný v tomto článku by měl být dále rozvíjen a měla by být věnována pozornost využití nízkoteplotních zdrojů chladu a využití synergie produkce elektřiny a tepla pro zapojení FVT do komplexního systému TZB. Uvažované možnosti jsou například předehřívání zásobníku na vodu zapojeného do série se zásobníkem TUV s teplotní stratifikací, nebo naopak by panely FVT mohly sloužit k předchlazení zásobníku na chladicí kapalinu během noci skrze sálání tepla z FVT panelů do oblohy.

Závěr

V současné době výrobci využívají řadu technologií pro výrobu FVT panelů (neizolované, izolované, s různými tepelnými absorbéry, ...). Firmy ovšem nabízí pouze koncový výrobek (panel) bez řešení pro kompletní systém, který by zahrnoval otázku dostatečného nízkoteplotního zdoje pro ochlazování FVT panelů a tedy i zaručoval deklarovanou účinnost systému. Odpověď na tuto otázku zůstává na samotném uživateli. V takové souvislosti je potom uváděná „hybridní účinnost“ jen velmi těžko dosažitelná hodnota.

Jako vhodný postup se tedy jeví začlenit volbu FVT systému již do návrhu komplexního řešení pro technické zařízení budovy. Správná kombinace může přinést slíbený růst účinnosti generace el. energie a umožní systému FVT naplno využití jeho výhod synergie v porovnání s „běžným nezávislým řešením fotovoltaického a tepelného systému“. Vyřešení takové otázky by mohlo otevřít nové možnosti pro uplatnění této hybridní technologie.

Fotografie z výroby a montáže

Reference

• [1] Børgesen J., Nielsen K., Afgangsprojekt “Test af PVT panel”, februar – juli, år 2012, Technical university of Denmark, (15^th April 2012)
• [2] Charalambous, P. G. a kol.: Photovoltaic thermal (PV/T) collectors: A review. Applied Thermal Engineering 27, pp. 275–286. (2007)
• [3] European Solar Thermal Technology Platform: “Solar Thermal Vision 2030 document” http://www.esttp.org. (2006)
• [4] Hestnes, A. G.: Building integration of solar energy systems. Solar Energy 67, No. 4–6, pp. 181–187, 1999
• [5] Kazanci, O.B., Skrupskelis, M., Solar Sustainable heating, cooling and ventilation of a net zero energy house, Technical university of Denmark, (2012)
• [6] Sevela, P., Energy management in DTU Solar Decathlon house, Technical university of Denmark, (2012)
• [7] Team DTU, Project manual, Delivery #6, DTU, Denmark, (2012)
• [8] Wiedemann M., Energy Performance of zero-energy Houses: LCA on the FOLD Project Building, DTU, 2012

Význam zkratek

Příloha