Problematika stagnace u solárních tepelných soustav (I)

ÚVOD

Solární tepelné soustavy jsou v ČR využívány zejména pro ohřev užitkové nebo bazénové vody a stále více i pro aplikace s přitápěním objektů - kombinované soustavy používané v současnosti zvláště u nízkoenergetických domů. Většina firem dodávajících solární soustavy tak nabízí řešení pro všechny uvedené případy. Především u soustav kombinovaných s přitápěním objektů, vyznačujících se předimenzovanou plochou solárních kolektorů a objemem zásobníku tepla, než by bylo potřeba pro samotný ohřev užitkové vody, dochází k výrazným přebytkům tepla v letním období. Pokud není k dispozici jiný "spotřebič" tepla, např. bazén, solární soustava v létě často "stojí", teplo z kolektorů není odváděno a dochází k přehřívání kolektoru, k varu teplonosné látky v kolektoru, k její přeměně v páru a k pronikání páry o vysoké teplotě do rozvodů solární soustavy - souhrnně se tento jev nazývá stagnace.

STAGNAČNÍ TEPLOTA

Pro charakterizaci stagnačních podmínek v kolektoru je zásadní veličinou tzv. stagnační teplota t_stg - ustálená teplota kolektoru přijímajícího sluneční záření bez odvodu tepla. Stagnační teplotu lze měřit nebo stanovit z křivky účinnosti solárního kolektoru pro dané okrajové podmínky. Za okrajové podmínky se zpravidla uvažují teplota okolního vzduchu t_a = 30 °C a sluneční ozáření G = 1000 W/m². Stagnační teplota se měří u kolektoru nezapojeného do soustavy ("na sucho"), nicméně uzavřeného z důvodu eliminace volného proudění uvnitř absorbéru (ochlazování kolektoru). Výpočet stagnační teploty vychází ze základní bilance ustálených tepelných toků v kolektoru

kde

	[W] je využitelný tepelný tok odebíraný z kolektoru
	[W] je tepelný tok pohlcený absorbérem
	[W] je celková tepelná ztráta kolektoru.

V případě stagnace je využitelný tepelný tok nulový a bilance přechází do tvaru

z čehož vyplývá

kde τ [-] je propustnost zasklení kolektoru, α [-] je pohltivost absorbéru, G [W/m²] je sluneční ozáření kolektoru a U [W/m².K] je celkový součinitel prostupu tepla kolektoru stanovený pro teplotu stagnace (nutný iterační výpočet).

Jednodušší výpočet vychází z hodnoty průsečíku standardní křivky účinnosti (naměřené zkušebnou) s osou (t_m-t_a)/G. Stagnační teplotu potom získáme následujícím způsobem

Obr. 1 - Stanovení stagnační teploty z průsečíku křivky účinnosti

V tabulce 1 jsou uvedeny typické hodnoty stagnačních teplot pro různé typy solárních kolektorů. Vlastním solárním kolektorům tyto teploty nevadí, jsou zkoušeny na odolnost a teplotní šoky při hodnotách vyšších.

	tstg (°C)
nezasklený kolektor	65
zasklený neselektivní kolektor	100
zasklený selektivní kolektor	180
trubicový vakuový kolektor	300

Tabulka 1 - Orientační hodnoty stagnační teploty solárních kolektorů

STAGNAČNÍ CHOVÁNÍ KOLEKTORU

Procesy odehrávající se při stagnaci v solární soustavě lze obecně rozdělit do několika fází. Kapalina se vlivem zvýšené teploty nejprve roztahuje (fáze 1), při dosažení bodu varu se začínají objevovat první bubliny, tvoří se sytá pára, která vytlačuje kapalinu z kolektorů (fáze 2). Zbylá kapalina v kolektoru se dále odpařuje a kolektor je vyplňován sytou párou teplonosné látky (fáze 3). Tato fáze přeměny skupenství teplonosné látky se vyznačuje vysokým odvodem tepla z kolektoru do okolí a vlivem postupného pronikání páry i do rozvodů soustavy. Další přehřívání kolektoru vysušuje kolektor a objem páry v soustavě může dokonce klesnout (částečně se stáhnout do kolektoru), přestože příjem energie slunečního záření trvá (fáze 4). Tento stav může být stabilní po dlouhou dobu. Poklesem dopadajícího slunečního ozáření klesá teplota v kolektoru pod bod varu, teplonosná látka ve formě páry kondenzuje a kapalina opět vyplní kolektor (fáze 5).

Obr. 2 - Průběh stagnace v soustavě při použití kolektorů s různou vyprazdňovací schopností

Největší zátěž soustavy probíhá ve fázi 2 a 3. Objem kapaliny, která na konci fáze 2 zůstane v kolektoru určuje délku a intenzitu následující fáze 3. Vypařování zbylé kapaliny udržuje kolektor na bodu varu po dlouhou dobu a vznikající velké objemy páry mohou pronikat do soustavy, předávat teplo a zatěžovat i prvky umístěné daleko od kolektorů. Na konci fáze 3 po ukončení vypařování dosahuje kolektor své maximální (stagnační) teploty a do soustavy se již teplo neuvolňuje.

Na průběh stagnace v solární soustavě má zásadní vliv schopnost kolektoru vyprázdnit svůj objem teplonosné kapaliny při začátku fáze 2. Čím více teplonosné kapaliny se drží v kolektoru, tím více páry vzniká. Na obr. 2 je porovnán průběh stagnace pro stejnou soustavu a stejné kolektory lišící se pouze různou vyprazdňovací schopností. Hodnota tlaku odpovídá množství produkované páry a tedy potenciálnímu riziku zasažení dalších prvků solární soustavy teplotou varu, která běžně může dosahovat hodnot nad 130 °C. V příkladech na obr. 2, tlak 3,2 bar odpovídá množství páry, které vyplní pouze objem kolektorů (nešíří se do soustavy), vyšší tlaky odpovídají stavu, kdy pára proniká do vzdálenějších částí soustavy a zatěžuje prvky jako čerpadlo, výměník, průtokoměr, kalorimetr, atd. Tyto prvky pak mohou být zatíženy teplotami přesahující výrobcem doporučené hodnoty a tak dojít k předčasnému zestárnutí, poškození nebo zničení soustavy.

ODKAZY

[1] Hausner, R., Fink, Ch.: Stagnation Behaviour of Thermal Solar Systems. Sborník konference ISES Eurosun 2000, Copenhagen.
[2] Problematice navrhování expanzních nádob pro solární soustavy bude věnován jeden z následujících článků.
[3] Matuška, T.: Teplonosné látky pro kapalinové solární soustavy, TZB-info
[4] Matuska, T., Sourek, B.: Aspects of solar collector integration into building façade. Sborník konference ISES Eurosun 2006, Glasgow.

---

Příspěvek byl zpracován v rámci projektu VaV-SN-3-173-05 "Integrace zařízení pro využití obnovitelných zdrojů energie do struktury budov".