Problematika stagnace u solárních tepelných soustav (II)

OCHRANA PROTI PROBLÉMŮM SE STAGNACÍ

Vyprazdňovací schopnost kolektorů a kolektorových polí určuje četnost, hladinu a dobu trvání kritické tepelné zátěže solární soustavy a jejích prvků. Dobrá vyprazdňovací schopnost znamená, že hydraulické zapojení absorbéru kolektoru (viz obr. 3 - horní řada) umožňuje při přeměně zlomku objemu teplonosné kapaliny v páru ve fázi 2 vytlačení zbylého objemu teplonosné kapaliny z kolektoru. Tím nevzniká další pára, která by mohla pronikat do soustavy a ta je chráněna před kritickou zátěží. Špatná vyprazdňovací schopnost se vyznačuje omezeným vytlačením kapaliny z kolektoru (viz obr. 3 - dolní řada), zapojení absorbéru vytváří "pytel" teplonosné kapaliny, který nelze z kolektoru vytlačit, ale pouze odvést ve formě páry. To vede k velkému množství energie, které je při stagnaci přenášeno párou a k rozsáhlým oblastem v rozvodech soustavy vyplněným sytou párou. Možnou ochranou proti výrazné tvorbě páry u nevhodně zapojených absorbérů může být často jednoduchá změna montážní polohy kolektoru, např. u trubicových solárních kolektorů s protékaným U-absorbérem pootočením kolektoru o 90°, nebo ještě lépe umístěním rozvodných potrubí dolů (pootočení o 180°).

Obr. 3 - Kolektory s dobrou (nahoře) a špatnou (dole) vyprazdňovací schopností z hlediska tvorby páry při stagnaci

Vyprazdňování kolektorů závisí výrazně také na poloze zpětné klapky vzhledem k tlakové expanzní nádobě v soustavě. Pokud je sestava prvků na přívodním potrubí do kolektorů zapojena podle obr. 4 (vpravo), potom je vyprazdňování kolektoru omezeno pouze horním vývodem a odpařená pára se dostane daleko do soustavy a po kondenzaci např. na výměníku teprve do expanzní nádoby. Na druhou stranu, přívodní potrubí do kolektoru zůstává vyplněné kapalinou až ke kolektoru díky poloze zpětné klapky. Podmínky pro dobré vyprázdnění kolektorů v případě stagnace mohou být dosaženy změnou polohy zpětné klapky vzhledem k expanzní nádobě podle obr. 4 (vlevo). Při tomto uspořádání prvků může být obsah kolektorů vytlačen do expanzní nádoby jak přívodním tak výstupním potrubím kolektoru, a objem zbylé kapaliny produkující páru v kolektoru je minimální. Pára se šíří do soustavy oběma cestami, což sníží navíc riziko proniknutí páry daleko od kolektoru a zasažení prvků ve strojovně.

Obr. 4 - Správné (vlevo) a špatné (vpravo) umístění zpětné klapky v solární soustavě

Správné dimenzování expanzní nádoby může předejít problémům se ztrátou teplonosné látky pojistným ventilem. Velikost expanzní nádoby by měla respektovat tvorbu páry v kolektorech při stagnaci, objemové změny s tím spojené a zejména vytlačení objemu kapaliny z kolektorů [2]. Potom nedochází k výraznému nárůstu tlaku v soustavě a reakci pojistného ventilu při běžných stagnačních podmínkách.

Běžné teplonosné látky na bázi nemrznoucích směsí glykolu a vody s inhibitory koroze mohou při dlouhodobém působení vysokých teplot (nad 130 °C) podléhat degradaci, vylučování pevných látek, vznik kyselin, zvýšení korozivity teplonosné kapaliny, "cuckovatění", apod [3]. U kolektorů a soustav s dobrou vyprazdňovací schopností dochází k působení nepříznivé tepelné zátěže pouze na zlomek objemu teplonosné kapaliny a jen krátkodobě. U kolektorů a soustav se špatnou vyprazdňovací schopností je celý objem kapaliny zadržené v kolektorech vystaven kritickým podmínkám po delší dobu. To může mít za následek nejdříve odpařování vodního obsahu nemrznoucí směsi (oddělená destilace), nárůst koncentrace glykolu a inhibitorů ve zbytkovém objemu kapaliny v kolektorech až do vysokých hodnot s bodem varu 210 °C (čistý glykol při běžných stagnačních tlacích). Potom např. u plochých kolektorů s teplotou stagnace 160 až 180 °C nemusí dojít k úplnému odpaření glykolové složky nemrznoucí směsi, nicméně celý objem je vystaven dlouhodobé tepelné zátěži, což může mít za následek jeho rychlou degradaci. U vakuových kolektorů s teplotami stagnace nad 250 °C dochází k odpaření glykolu a tvorbě pevných usazenin v potrubí (vyloučené inhibitory), které mají omezenou zpětnou rozpustnost při následné kondenzaci (po skončení stagnace). Pro solární soustavy, u kterých je předpoklad zvýšené četnosti výskytu extrémních stagnačních podmínek se tedy doporučuje použití kvalitních nemrznoucích směsí, odolávajících vysokým teplotám bez degradace a dále nemrznoucích směsí s kapalnými inhibitory koroze, odpařitelnými a zpětně smísitelnými s teplonosnou látkou.

Omezení stagnačních podmínek je možné také realizovat zvýšením sklonu kolektorů, který v letním období zajišťuje nižší příjem slunečního záření oproti optimálnímu sklonu 45° (pro celoroční použití). U kombinovaných soustav pro přitápění je proto výhodná integrace kolektorů do fasády (90°). Z hlediska provozních parametrů se dosahuje stejných zisků a pokrytí jako u kombinované soustavy s kolektory na střeše se sklonem 45°. Integrací kolektoru do fasády sice dochází na jedné straně ke zvýšení účinnosti kolektoru a tedy k nárůstu teoreticky dosažitelné stagnační teploty, na druhé straně se výrazně sníží provozní četnost výskytu stagnačních podmínek a jejich úroveň (tvorba páry) v letním období [4].

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".