Případová studie solární soustavy s velkoplošným fasádním kolektorem

Úvod

Cílem případové studie [1] bylo nalézt vhodné řešení přípravy TUV velkoplošnou solární soustavou v typovém osmipodlažním panelovém domě umístěném v sídlištní zástavbě v Praze 5 - Barrandově a posoudit, případně optimalizovat, významné parametry soustavy z hlediska jejího hospodárného provozu.

Aktuálně k terminologii: Správná nová terminologie je teplá voda, ohřívání vody nebo příprava teplé vody. Dříve používaný termín TUV, teplá užitková voda již neodpovídá legislativě a požadavkům.

Stávající příprava TUV je realizována samostatně v každém bytě elektrickými ohřívači o objemu 150 l. Studená užitková voda (SV) je k ohřívačům výhodně přivedena zvláštním stoupacím potrubím, odděleně od ostatních rozvodů SV. Cena za 1 kWh elektrické energie platná pro tarif D25 v dubnu 2005 byla 1,06 Kč/kWh pro nízký tarif, jenž je zaručen 8 hodin denně a v němž dochází k ohřevu užitkové vody v ohřívačích. Z analýzy spotřeby TUV v objektu byla stanovena průměrná potřeba energie pro přípravu TUV na Q_TUV = 220 kWh/den.

Solární kolektory

Pro daný objekt byly uvažovány 2 možné varianty umístění solárních kolektorů. Integrace kolektorů do jižní fasády objektu při připravované rekonstrukci a zateplení fasády nebo umístění solárních kolektorů na střechu objektu. Pro obě varianty byla provedena analýza zastínění solárních kolektorů pro "nejhorší" případ v daném sídlištním celku. Kolektory umístěné na střechu objektu zastiňuje během dne strojovna výtahu, fasádní kolektor zastiňují částečně okolní budovy. Byla zjištěna velikost plochy kolektorů, která je zastíněna a to pro každou hodinu a den během roku. Z těchto údajů byly přepočítány tabulkové hodnoty poměrné doby slunečního svitu τ_r a stanoveny skutečné hodnoty τ_r,skut s uvažováním stínění (Tab. 1). Vzhledem k dostatečným rozestupům mezi jednotlivými domy je pokles poměrné doby vlivem stínění okolními domy výrazný především v zimním období, jak pro fasádu, tak pro střechu.

Měsíc	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
τr,tab	0,21	0,32	0,42	0,45	0,51	0,54	0,55	0,55	0,53	0,37	0,21	0,14
τr,skut,fasáda	0,16	0,29	0,39	0,44	0,5	0,54	0,55	0,53	0,47	0,31	0,18	0,11
τr,skut,střecha	0,18	0,29	0,39	0,43	0,5	0,53	0,54	0,53	0,50	0,34	0,19	0,12

Tab. 1. - Poměrné doby slunečního svitu v jednotlivých měsících

Na základě skutečných hodnot poměrné doby slunečního svitu byly následně stanoveny měrné energetické zisky kolektorů. Kolektory byly uvažovány se selektivním absorbérem (α/ε = 0,95/0,05). Pro variantu umístění kolektorů na střechu objektu byla stanovena maximální plocha kolektorů se sklonem kolektorů 45°, kterou lze umístit na střechu (112 m²). To je hodnota menší než pro pokrytí průměrné potřeby energie pro přípravu TUV v přechodovém období. Z toho vyplývá i předpokládaný celoroční solární podíl 49 %. Pro variantu integrace kolektorů do fasády objektu byla plocha kolektorů stanovena na 155 m² (sklon 90°). Předpokládané krytí je přes 60 %. Energetické zisky kolektorů obou variant jsou zobrazeny na Obr.1. Varianta integrace kolektorů do fasády objektu je sice co do energetických zisků výhodnější než varianta kolektorů na střeše, neboť v zimním období má větší energetické zisky a v období letním má nižší přebytky energie, z hlediska investice to však znamená o cca 30 % větší plochu kolektoru. Účinnost kolektorů ve fasádě objektu je vlivem integrace do tepelné izolace stěn objektu vyšší (dle výpočtů o 10 až 15 % během roku) než by byla účinnost kolektorů se stejným sklonem (90°) neintegrovaných do fasády.

Obr. 1. - Energetické zisky kolektorů a potřeba energie pro přípravu TUV během roku

Pro další analýzy byla vzhledem k celoročně vyššímu krytí a navíc vyrovnanému profilu zisků zvolena varianta integrace solárních kolektorů do fasády objektu. Pro snížení potenciálních nákladů na instalaci kolektorů jsou navrženy velkoplošné kolektory, s tím, že kolektory lze výhodně instalovat při rekonstrukci fasády objektu (zateplení).

V rámci řešení studie byly navrženy kolektory rozměrově vhodné pro montáž do fasády budovy (rozměrová řada 9,3 a 16,9 m²), s "lyrovým" rozvodem potrubí absorbéru, rozvodné a sběrné potrubí je na fasádě vedeno vertikálně, lamely jsou horizontálně. Jednotlivé kolektory lze na fasádě vertikálně spojovat (viz Obr. 2). Byla provedena analýza proudění v jednotlivých lamelách několika spojených kolektorů, zda nedochází v některých částech absorbéru k poruše zatékání (nadprůtoky, podprůtoky) s tím souvisejícímu místnímu přehřívání kolektoru. Výpočty bylo zjištěno, že zatímco při spojení 2 kolektorů je rozdíl průtoků v lamelách maximálně 3 %, při spojení 3 kolektorů je to již 10 %. Je zřejmé, že třecí ztráty ve spojovacích trubkách lamel převažují nad místními ztrátami odbočení z rozvodného a sběrného potrubí a rozvod absorbéru je hydraulicky vyvážen. Při spojení 4 uvedených velkoplošných kolektorů dochází v některých (krajních) lamelách již k 30 % podprůtokům a začíná přehřívání těchto částí kolektoru. Pro uvažovanou fasádu byly proto do sebe spojeny vždy 3 kolektory v jednom poli a velkoplošná soustava sestavená z 12 kolektorů se zjednodušila na soustavu se 4 kolektorovými poli.

Obr. 2. - Fasádní kolektor na domě s vyznačeným pospojováním kolektorů

Solární soustava

Solární soustava byla navržena s nízkým průtokem teplonosné látky (směs propylen-glykolu a vody), tzv. low-flow soustava (15 l/h/m² absorpční plochy kolektorů) v kombinaci se stratifikačním zásobníkem tepla o objemu 4,8 m³. Zásobník tepla s teplotní stratifikací ukládá teplonosnou látku přiváděnou ze zdroje tepla do vrstvy v zásobníku o přibližně stejné teplotě. Při dodržení nízké rychlosti v rozvodném potrubí zásobníku tak nedochází k promíchávání zásobníku a tím k celkovému snížení kvality energie akumulované v zásobníku. Výhodou soustavy s nízkým průtokem, oproti "klasické" soustavě (s vysokým průtokem, high-flow), je snížení hydraulické náročnosti, menší dimenze potrubí a menší potřebné tloušťky izolací. V kombinaci se stratifikací lze pak dosáhnout vyššího stupně využití solárních zisků vlivem vyšší teploty v horní části zásobníku a trvale nízké teploty na vstupu do kolektorů (řešení nesnižuje účinnost kolektorů).

Stratifikační zásobník tepla byl zvolen netlakový (otevřený) z důvodu snížení nákladů na pořízení zásobníku (tlakové zásobníky o podobném objemu jsou řádově dražší) a možnosti montáže netlakového zásobníku v suterénu uvažovaného objektu bez nutnosti větších stavebních úprav v objektu. Netlakový zásobník svařený na místě z nerezových plechů lze vhodně přizpůsobit rozměrům technické místnosti v objektu, narozdíl od tlakového zásobníku, pro jehož instalaci by bylo nutné vybourat přístupovou cestu.

Solární soustava je rozdělena na čtyři hydraulické okruhy. Jedná se o kolektorový okruh, primární a sekundární okruh zásobníku a okruh TUV. Jednotlivé okruhy jsou zobrazeny na Obr. 3. Zásobník tepla je oddělen tepelnými výměníky s velkoryse dimenzovanou plochou, střední logaritmické teplotní spády se pohybují mezi 4 až 8 K při běžných provozních podmínkách soustavy. Tím nedochází k degradaci solárních zisků při sdílení tepla.

Obr. 3. - Zjednodušené schéma hydraulického zapojení soustavy

Hydraulika soustavy

Pro jednotlivé hydraulické okruhy solární soustavy byly zjišťovány optimální dimenze potrubí z hlediska nároků na práci oběhových čerpadel. Byly navrženy dimenze potrubí pro 3 různé návrhové rychlosti teplonosné látky v potrubí, pro tyto dimenze potrubí byly určeny takové ztráty a práce všech oběhových čerpadel v solární soustavě během roku (při provozu cca 2000 h/rok) a byly stanoveny náklady na provoz čerpadel při těchto dimenzích.

Varianta	P	Eel,rok	Eel,rok/Qs
[m/s]	[W]	[kWh/rok]	[%]
0,3	121	242	0,3
0,5	473	946	1,1
0,8	1881	3742	4,5

Tab. 2. Energetická náročnost na provoz čerpadel
při dimenzích potrubí pro 3 návrhové rychlosti

Z analýzy energetické náročnosti čerpadel vyšla nejlépe dimenze potrubí pro rychlost teplonosné látky 0,3 m/s. Dimenze potrubí jsou pro tuto rychlost však již tak velké, že by došlo k výraznému nárůstu investičních nákladů a zvýšení tepelných ztrát potrubím soustavy. Na druhé straně varianta pro rychlost 0,8 m/s je již výrazně energeticky náročná a znatelným způsobem by ovlivnila náklady na provoz soustavy. Byla proto zvolena varianta dimenzí potrubí pro rychlost 0,5 m/s a pro tuto rychlost byly navrženy dimenze potrubí v soustavě. To ostatně odpovídá běžným pravidlům ekonomického návrhu dimenze potrubí v otopných soustavách.

Tepelné ztráty soustavy

Tepelné ztráty snižují výnosy z provozu soustavy a je třeba je účinně minimalizovat. Návrh tepelných izolací o velkých dimenzích by znamenal nárůst investičních nákladů, a proto byly v celé soustavě hledány hospodárné tloušťky tepelných izolací (porovnání investičních nákladů a úspor). Výsledky analýzy hospodárných tloušťek zobrazuje Tab. 3. Tepelnou izolaci rozvodů primárního okruhu tvoří tepelná izolace fasády o tl. 150 mm (potrubí vedeno ve fasádě).

OKRUH	Tloušťka izolace	Tepelné ztráty	Podíl z dodávky
	[mm]	[kWh/den]	[%]
Rozvody primár	150	6,1	2,5
Zásobník	200	7,3	3,0
Rozvod TUV	25	16,7	6,8
Celkem		30,1	12,3

Tab.3. - Tepelné ztráty soustavy

Průměrný podíl tepelných ztrát soustavy na dodávkách energie z kolektorů je při hospodárných tloušťkách izolací 12,3 %, což odpovídá běžnému podílu tepelných ztrát na dodávce energie u jednoduchých solárních soustav (od 10 do 15 % [2]).

Výsledky

Na Obr. 4. je zobrazena skutečná energetická bilance provozu soustavy se zahrnutím všech vlivů na provoz soustavy (tepelné ztráty primár, zásobník, rozvod TUV). Čisté solární pokrytí potřeby TUV solární soustavou s fasádními kolektory během roku je 62 %. Tepelné ztráty činí cca 12 % z dodávky TUV, spotřeba elektrické energie je udržena na nízké hodnotě 1,1 % z celkového solárního zisku. U běžných high-flow soustav se podíl spotřeby elektrické energie pohybuje mezi 2 až 4 %.

Obr. 4. - Energetická bilance provozu soustavy

Provozem soustavy dojde k úspoře emisí znečišťujících látek oproti stávajícímu stavu (elektrický ohřev užitkové vody). Hodnoty úspory emisí jsou uvedeny v Tab. 4. a zahrnují i vlastní spotřebu elektrické energie na provoz oběhových čerpadel v soustavě. Jako podklad byly uvažovány emisní faktory pro výrobu elektrické energie v hnědouhelných elektrárnách jenž se na výrobě elektrické energie u nás stále nejvíce podílí.

SO2	NOx	TZL
[kg]	[kg]	[kg]
120,8	126,7	4,9

Tab. 4. - Roční úspora emisí znečišťujících látek
provozem soustavy

Stávající náklady na přípravu TUV v celém objektu se pohybují kolem 109 000 Kč za rok (včetně ztrát). Při celoročním provozu solární soustavy budou náklady na provoz čerpadel 3400 Kč a náklady na elektrický dohřev TUV v zimních měsících a přechodném období 30 000 Kč.

Celkové náklady na přípravu TUV tedy klesnou ze současných 109 000 Kč na 33 400 Kč a dojde tedy k roční úspoře 75 600 Kč při konstantní ceně elektrické energie. Ekonomická rozvaha ceny instalace a montáže kolektorů a solární soustavy nebyla vyhodnocena vzhledem k absenci informací z dostatečně reprezentativního vzorku podobných instalací v podmínkách České Republiky. Roční úspora nám však dává určitý náhled v jaké cenové relaci je možné se pohybovat, aby taková soustava mohla být ekonomicky zajímavá.

Závěr

Případová studie byla řešena v rámci diplomové práce autora [1] na Ústavu techniky prostředí, Fakulty strojní, ČVUT v Praze. Studie ukázala potenciál využití solárních soustav s fasádními velkoplošnými kolektory v panelové zástavbě sídliště Barrandov. V rámci studie byla provedena analýza vlivu stínění, tepelných ztrát a práce oběhových čerpadel na provozní a ekonomické parametry soustavy. Mezi výhody navrženého řešení patří minimalizace stavebních úprav v interiéru objektu a ve vlastních bytech a architektonické zakomponování kolektoru do budovy.

Řešení je opakovatelné pro další domy daného sídliště Barrandov s obdobnými, případně lepšími parametry (z hlediska stínění byl uvažován nejhorší případ).

Literatura

[1] Němec, S.: Solární příprava TUV. Diplomová bakalářská práce. ČVUT v Praze. 2005.
[2] Brož, K., Šourek, B.: Alternativní zdroje energie. Skriptum ČVUT v Praze. 2003.