Dimenzování solárních soustav pro bytové domy

Úvod

Příprava teplé vody v budovách tvoří významnou část energetické potřeby. V případě zavádění úspor při regeneraci panelových budov je aktivní využití sluneční energie pro přípravu teplé vody logickým krokem spolu s omezováním tepelných ztrát prostupem (zateplování budov) a větráním (využití rekuperace tepla), případně pasivním využitím solárních zisků (zasklení lodžií). Solární soustavy určené pro přípravu TV mají dobrou využitelnost díky přibližně rovnoměrnému profilu potřeby tepla na TV v průběhu roku.

Předpoklady pro úspěšnou technickou realizaci solárních soustav zahrnují pečlivou analýzu výchozích provozních podmínek (doba provozu, spotřebitelská náročnost, životní styl uživatele, roční profil spotřeby, atd.), možnosti umístění solárních kolektorů s ohledem na architektonickou koncepci budovy a okolí, a dále prostorových nároků na související technologii (zásobník, rozvody).

Návrh solárních soustav pro přípravu teplé vody

Prvním krokem při návrhu a instalaci solárních soustav pro přípravu teplé vody v bytových domech je snaha omezit spotřebu teplé vody a tepla na její přípravu úspornými výtokovými armaturami, minimalizací délky rozvodů teplé vody, omezením tepelných ztrát rozvodů teplé vody a cirkulace, omezení běhu cirkulace na nezbytně nutnou dobu, případně využitím řízení cirkulace na základě teplotních čidel, u větších soustav teplé vody je nutné hydraulické zaregulování dlouhých tras rozvodů. Tím je možné snížit nároky na investiční náklady solární soustavy (kolektor, zásobník) a omezit provozní problémy způsobené předimenzováním v případě nasazení takových úsporných opatření v budoucnosti.

Při návrhu solární soustavy pro stávající bytové domy je nutné vycházet ze skutečné spotřeby teplé vody v objektu. Nejlepší metodou je dlouhodobé měření spotřeby teplé vody na patě objektu (nejlépe se zohledněním její teploty), případně souhrnné údaje o spotřebě energie na přípravu teplé vody za určité období (alespoň 1 poslední rok), v horším případě alespoň několik celodenních měření příložnými průtokoměry na patě objektu. V případě, že nelze žádným dostupným způsobem skutečnou spotřebu teplé vody zjistit (případ novostaveb), je možné použít s velkou opatrností směrných hodnot. Ve výpočtu potřeby teplé vody podle technické normy pro návrh zařízení pro přípravu teplé vody [4] je bohužel nadhodnocení cca 30 až 50 % oproti běžně naměřeným spotřebám [5, 6], což může vést k neekonomickému předimenzování solární soustavy a nízkým měrným ziskům soustavy. Na druhé straně orientační hodnoty z odborné literatury vykazují velké rozdíly denní spotřeby při různém životním standardu, stáří, povolání osob, ročním období, atd. Pro návrh solární soustavy je důležitý také roční profil spotřeby teplé vody s ohledem na letní dimenzování (přebytky tepla). Na obr. 1 jsou uvedeny orientační denní a roční profily vytvořené na základě porovnání hodnot z různých podkladů. Z ročního průběhu spotřeby TV v bytových domech je patrný letní pokles spotřeby teplé vody vlivem školních prázdnin a dovolených uživatelů o cca 25 % oproti ročnímu průměru. Průměrná spotřeba TV (o teplotě 50 °C) na osobu a den se v obytných budovách s více rodinami pohybuje průměrně mezi 30 až 50 litry.

Obr. 1 - Roční a denní měrný profil spotřeby teplé vody pro bytové domy (procentní rozložení) v ČR

Zvláště u velkých instalací, kde každé procento účinnosti či solárního podílu znamená velké ztráty nebo zisky energie, by neměla chybět optimalizace soustavy z hlediska požadavků investora. Při navrhování solárních tepelných soustav lze použít různá rozhodovací kritéria a podmínky:

Obr. 2 - Souvislost mezi solárním podílem f a měrnými solárními zisky q_su

• maximální měrné solární zisky
• maximální nahrazení primárních paliv (maximální solární podíl)
• požadovaný solární podíl (optimalizace)
• podmínky struktury budovy (velikost střechy, možný sklon kolektorů, architektonické souvislosti)

U solárních soustav platí, že čím vyšší požadavek na pokrytí potřeby tepla sluneční energií, tím horší jsou ekonomické parametry takového zařízení. Na obr. 2 je uvedena křivka solárního podílu f v závislosti na poměru mezi plochou kolektoru A_c [m²] a objemem zásobníku V_aku [m³] pro přípravu TV (objem zde odpovídá denní potřebě TV) a křivka využitelných ročních měrných zisků z kolektoru q_su [kWh/m²] (podklad pro ekonomické hodnocení). Z grafu je patrné, že solární podíl roste s plochou kolektoru, nicméně od určité hodnoty (f = 60 %) je nárůst velmi pozvolný. S rostoucím podílem na druhé straně klesají měrné zisky, vzhledem k tomu, že je doprovázen zvýšením průměrné provozní teploty v solární soustavě a poklesem průměrné účinnosti kolektoru či snížením využitelnosti solárních zisků především v letním období.

Dimenzování solární soustavy pro přípravu TV v panelových bytových domech, které nemají k dispozici v letním období žádný "spotřebič tepla", je omezeno plochou kolektorů pro krytí letní potřeby teplé vody s nižším celoročním solárním podílem než u soustav pro rodinné domy, kde je často možné letní přebytky smysluplně využít (ohřev bazénové vody, sušení palivového dřeva, sušení zahradních rostlin či plodin).

U solárních soustav pro přípravu TV v bytových domech se proto s ohledem na minimalizaci letních nevyužitelných přebytků energie navrhují soustavy do solárního podílu 50 %. Předimenzované soustavy s vyššími podíly mohou vést k provozním problémům spojeným v letním období se stagnací [7] (var teplonosné látky v kolektorech, pronikání přehřáté páry do rozvodů, nebezpečí poškození i prvků vzdálených od kolektorového pole) a dále ke zhoršení ekonomických parametrů instalace. Měrné solární zisky na jednotku plochy kolektorů, které jsou u bytových domů více zohledňovány než u rodinných, se při větších solárních podílech snižují. Na obr. 2 jsou vyznačeny běžné návrhové parametry solární soustavy pro bytové domy. Na obr. 3 jsou uvedeny průběh potřeby tepla na přípravu TV a průběh možných solárních zisků během typického meterologického roku (Praha ČR) pro různé stupně pokrytí potřeby tepla na přípravu teplé vody.

Obr. 3 - Průběh potřeby tepla na přípravu TV a solárních zisků soustavy během
roku pro dimenzování s pokrytím 50 %, 60 % a 70 %

Poděkování

Příspěvek byl vypracován s podporou projektu "VaV-SN-3-173-05 Integrace zařízení pro využití obnovitelných zdrojů energie do struktury budov".

Odkazy

[1] Sedlák, J. a kolektiv: Závěrečná zpráva řešení projektu VaV-SN-3-173-05 za rok 2006 a přílohy technologických listů instalací. Prosinec 2006.
[2] Ladener, H., Späte, F.: Solární zařízení, Grada Publishing 2003, Praha, ISBN 80-247-0362-9.
[3] Peterka, J.: Využití sluneční energie při rekonstrukci bytových (panelových) domů. Sborník z odborného semináře "Současnost a budoucnost využívání sluneční energie nejen v domech pro bydlení, STP a Asociace pro využití OZE, 2002.
[4] ČSN 06 0320 Ohřívání užitkové vody - Navrhování a projektování. Březen 1998.
[5] Skokan, V.: Problematika přesného stanovení množství teplé užitkové vody. Portál TZB-info, 2001
[6] Koubková, I.: Spotřeba vody v bytových domech v kontextu modernizace bytových jader. Portál TZB-info, 2006
[7] Matuška, T.: Problematika stagnace u solárních tepelných soustav. Portál TZB-info, 2006. ISSN 1801-4399.