Ohlédnutí za velkokapacitními seníky se solárním dosoušením
V souvislosti s nynějšími diskuzemi o využití sluneční energie je užitečné připomenout jednu významnou etapu našeho zemědělství - výrobu opravdu kvalitních objemových krmiv. Kromě vývoje metod silážování a senážování se výzkumníci před třiceti lety zabývali i dosoušením píce ve velkokapacitních senících s využitím vzdušných solárních kolektorů.
Obr. 1: Z provozu seníku ve Zduchovích byly získány zkušenosti, uplatněné při realizace dalších solárních seníků
Obr. 2: Dvoukanálový pokusný kolektor pod FM 40 na tříkolovém podvozku
V období po první ropné (energetické) krizi, tj. od poloviny sedmdesátých let do poloviny osmdesátých let minulého století, u nás vrcholila éra koncentrace zemědělských podniků, spojená i s výstavbou velkokapacitních stájí a skladů. Na rozdíl od současnosti byly tehdy stavy skotu vysoké s velkou potřebou objemových krmiv.
Snahy o intenzifikací výroby při maximálních úsporách energie se odrazily i v programech výzkumných ústavů. Jedním z nich byl VÚZT Praha-Ruzyně, kde se, kromě jiného, pracovalo na projektech využití solární energie v sušárenství. Pícniny konzervované v solárních senících se totiž kvalitou přibližovaly kvalitě pícnin z horkovzdušných sušáren, ale provozní náklady zde byly podstatně nižší.
Hlavní cíle výzkumu
První výzkum se týkal stanovení základních fyzikálních hodnot, zejména podmínek pro dosažení maximální účinnosti kolektorů (až 50 %) v závislosti na průchodu vzduchu. Později byly vyhodnocovány i faktory související s technologií konzervace pícnin sušením vzduchem ohřátým velkoplošnými solárními kolektory.
Kromě určení vhodných oblastí, výběru principů kolektorů a objektů, na kterých by se mělo zařízení uplatnit, ověřoval VÚZT výkonnost solárních systémů na funkčních modelech o ploše do 40 m2, různých velkokapacitních stavbách, zejména velkokapacitních senících s účinnou plochou až do 2400 m2.
Z výsledků je třeba jmenovat zejména podstatné urychlení procesu dosoušení, zvýšení kvality sena při současném snížení ztrát, zvýšení užitkovosti zvířat a úsporu elektrické energie na pohon ventilátorů. Dále byly zjištěny limity a možnosti využívání solární energie a rizika ztrát v solárních skladech při delším trvání nepříznivého počasí a nedostatku slunečního svitu. To vedlo k vývoji a ověřování doplňujících energetických zdrojů k příhřevu vzduchu na bázi teplovzdušných agregátů se spalováním odpadního dřeva. V rámci výzkumu byly doplňkově vyvinuty nezbytné technologické prvky pro manipulaci, dosoušecí rošty a doporučeny ventilátory s regulací provozu. Unikátní byly například roštové tenzometrické váhy o rozměru 6 x 18 m, umožňující sledovat proces vysoušení vody v píci a později i v jiných materiálech, například štěpce z energetických dřevin.
V době realizace (kolem roku 1990) vycházela stavba a využívání solárního ohřevu na velkokapacitních senících ekonomicky příznivě, s rychlou návratností investice. Ale je třeba vzít v úvahu, že použité materiály (plechové opláštění, plastové panely, drátosklo) byly dostupné v příznivějších cenových relacích, než dnes.
Graf 1: Dlouhodobé průměry efektivního slunečního záření a stupeň jeho využití v době od poloviny května do poloviny září: G - energie globálního záření připadající na ohřívač od 7 do 19 hodin (W/m2), T - průběh zisku energie z 1 m2 ohřívače s transparentním krytem (W/m2), B - průběh zisku energie z 1 m2 ohřívače bez transparentního krytu (W/m2).
Graf 2: Dlouhodobé průměry příhřevu vzduchu v průběhu dne: T - průběh změny příhřevu vzduchu v ohřívači s transparentním krytem (°C), B - průběh změny příhřevu vzduchu v ohřívači bez transparentního krytu (°C). Množství vzduchu se pohybuje od 150 do 200 m3/m2/h
Unikátní kolektor
Pro stanovení základních parametrů vzdušných slunečních kolektorů byl sestrojen unikátní dvoukanálový pokusný kolektor pod (označený jako FM 40), umístěný na tříkolovém podvozku, s možností naklápění obou částí do libovolného úhlu a otáčení "za sluncem" připojením na kolový traktor. Snímatelné a vyměnitelné kryty umožňovaly ověřit různé světlopropustné materiály (fólie, laminát, sklo), dva radiální ventilátory měly možnost změny dodávky vzduchu. Potřebnými přístroji se určovala intenzita a doba slunečního záření, množství a příhřev vzduchu za různých podmínek. Kolektor byl v druhém roce sledování vybaven ještě dvěma dosoušecími komorami o objemu 1,5 m3, ve kterých se ověřovaly podmínky sušení pícnin. Hodnoty získané měřením jsou cenné a použitelné i dnes. Tehdy byly uplatněny na experimentálním seníku Zduchovice a na senících v Hojšíně, Francově Lhotě a jinde.
Seník ve Zduchovicích
Státní statek Kamýk nad Vltavou v okrese Příbram poskytl VÚZT Praha- Ruzyně (zásluhou mechanizátora Neužila a vedoucího farmy Kohouta) standardní halový seník na své farmě Zduchovice k praktickým experimentům dosoušení zavadlého sena na roštech s využitím solární energie. K tomu účelu sloužily dva na sobě nezávislé dvoukanálové solární ohřívače vzduchu, každý o ploše 200 m2, využívající střešní plášť jako základ kolektoru. Jedno provedení využívalo plechovou, černě nastřenou střechu jako absorbér sluneční energie, nad kterým byl umístěn na stojánkách světlopropustný sklolaminátový kryt a pod kterým byl spodní vzduchový kanál uzavřen sololitem.
Na druhé části byla na střechu namontována přídavná plechová ohřívací plocha a nad ní světlopropustný foliový kryt. Střešní ohřívače byly propojeny s dosoušecími ventilátory sběrným horizontálním a svodným potrubím. Na zhruba 108 m2 roštové dosoušecí plochy připadalo asi 120 m2 solárního ohřívače vzduchu.
Z několikaletého provozu seníku Zduchovice byly získány důležité zkušenosti, uplatněné později při realizace dalších solárních seníků:
- Původní ventilátory LAN 900/3 kW, zabudované podle původního projektu pro dosušování velmi zavadlého sena, bylo nutno vyměnit za výkonnější APR 1000/7,5 kW, neboť již od začátku provozu výkonem nestačily provzdušnit vrstvu sena vyšší než 3 - 4 m. Projektovaná výkonnost 20 000 - 25 000 m3 vzduchu za hodinu klesla na 10 000 m3/h a už při výšce sena 3 - 4 m se dostávaly do oblasti "pumpování". Příhřev vzduchu o 10 °C nebyl proto využitelný. S výkonnějšími ventilátory klesl sice příhřev v průměru na 3 až 7 °C, potřebné množství ohřátého vzduchu se zvýšenou vodní jímavostí procházelo celým kolektorem (tlaková ztráta je 50 Pa), vzduchovody i dosoušeným senem až do výšky 6,5 m.
- Tepelná výkonnost kolektorů s plastovým i sklolaminátovým krytem se pohybovala kolem 200 W/m2 s příhřevem vzduchu o 3 až 7 °C a se snížením relativní jeho vlhkosti, jako rozhodujícího činitele pro dosoušení sena o 15 až 35 %.
- Ukázalo se, že neúčinnější je příhřev vzduchu k dosoušení v ranních a dopoledních hodinách, kdy relativní vlhkost venkovního vzduchu překračuje hranici 65 %. Proto není nutno vždy trvat na jižní, ale spíš na jihovýchodní orientaci boční stěny seníku s ventilátory. K tomu účelu se může ke svodu vzduchu ze střešního kolektoru použít dvojitá boční stěna zároveň i jako ohřívač.
- Foliový světlopropustný kryt měl sice stejný skleníkový efekt jako sklolaminátový, ale nebyl do budoucna doporučen pro nebezpečí poškození větrem, deštěm a sněhem.
- Měrná výkonnost byla stanovena takto: V průměru na odsušení asi 0,4 kg vody z 1 kg píce s obsahem asi 40 % vody na 1 m2 kolektoru na seno s asi 15 % vody, jak vyžadují zásady výroby a skladování sena. Proti tradičnímu sušení studeným vzduchem s vodní jímavostí kolem 1 g vody na 1 m3 vzduchu se jedná skoro o trojnásobnou intenzitu sušení s vodní jímavostí 3,3 až 3,5 g vody na 1 m3 vháněného vzduchu.
- Na dosušení zavadlé píce a "výrobu" 1 tuny suchého se spotřebovalo kolem 30 kWh elektrické energie (norma pro sušení studeným vzduchem byla až 80 kWh/t).
Graf 3: Průběhy změn sytostních doplňků přihřívaného vzduchu během dne: T - Teoretické sytostní doplňky sušícího vzduchu z ohřívače se světlopropustným krytem, vystupující vlhkost vzduchu je 100 % (ve skutečnosti jsou nižší v závislosti na stupni dosušení píce), B - teoretické sytostní doplňky sušícího vzduchu z ohřívače bez světlopropustného krytu, vystupující vlhkost vzduchu je 100 %, V - sytostní doplňky venkovního neupraveného vzduchu během dne (g H20/m3)
Graf 4: Nomogram závislostí množství a teploty ohřátého vzduchu, potřebného výkonu v teple a plochy ohřívače pro dosoušecí rošt o rozloze 100 m2
Seník v Hojšíně
Na základě zkušeností získaných při sušení zavadlého sena na experimentálním seníku Zduchovice byly stanoveny technické podmínky pro adaptaci zejména pro tuto věc nejvhodnějších velkokapacitních seníků a to typy HP 18 J, výrobce NHKG Hustopeče. Představitelem řady úspěšných realizací je seník v Hojšíně u Kamýka nad Vltavou. Hlavní charakteristiky této realizace byly:
- Základní ohřívací plochu tvoří původní černě natřené plechové opláštění střechy a jižní stěny nad ventilátory o účinné ploše 1800 m2 . Nad ní jsou na stojánkách uchycených k upevňovacím háčkům latě nesoucí světlopropustné sklolaminátové vlnovky VERTEX SP. Spodní vzduchový kanál ohřívače uzavírají sololitové panely.
- Podlaha seníku je vodotěsná a nad ní jsou na celé ploše vybudovány přejezdné dosoušecí rošty. Ventilátory jsou umístěny za dvířky za svislou stěnou seníku. To umožňuje vhánět do sušené píce jen ohřátý vzduch na rošty v zóně "intenzivního" sušení, přisávání nebo výhradní používání venkovního (chladícího) vzduchu.
- Odvětrání seníku zajišťují dvoje vrata a "výdechy" na severní stěně opatřené regulačními klapkami, aby nedocházelo ke zpětnému nasávání vlhkého vzduchu do kolektoru
- Střešní kolektor tvoří jednu ohřívací komoru, stěnová část je rozdělena podle deseti ventilátorů APR 1000 na deset komor.
- Montáž spodního podhledu se prováděla z pomocného lešení, upevněného na tělese mostového jeřábu pro manipulaci se senem.
Výsledky při dosoušení zavadlé píce, zejména travin, se shodovaly s měřeními na seníku Zduchovice i jinde, ale navíc byla zjištěna skutečnost, ke které sice dochází u standardních seníků, ale se kterou se u solárního seníku nepočítalo.
Během celkem uspokojivém průběhu senoseče, sklizně a dosoušení zavadlých travin, došlo při naskladnění zavadlé píce do výše asi 4 m na stanovené zóně intenzivního dosoušení ke změně počasí. Na několik dní (tzv. Medard) se ochladilo a občas pršelo. Nedosušená píce, zahřátá na relativně vysokou teplotu teplým vzduchem z kolektoru, nebyla opomenutím obsluhy před vypnutím ventilátorů vychlazena. V místě kondenzace ve výši asi 3 m se vytvořila vrstva sena napadeného bílou plísní, která sice podle rozboru v odborné laboratoři nebyla pro skot nebezpečná, ale bylo to považováno za závadu.
Na podkladě toho bylo v prvé řadě doporučeno soustavně kontrolovat průběh dosoušení a stav dosoušené píce i po dobu déle špatného počasí (nižší teplota, vyšší vlhkost vzduchu). Dalším důležitým doporučením bylo zajistit náhradní zdroj pro ohřev vzduchu. V následujících létech proto byly vyvinuty a ověřeny různé ohřívače sušícího vzduchu na bázi spalování dřevního odpadu, a to buď jako samostatné u seníků nebo s využitím blízkých kotelen. Dnes k tomu může být využito i teplo z kogeneračních jednotek bioplynových stanic.
Graf 5: Nomogram závislosti (40 %), vlhkosti dosoušené píce, odsušku vody (kg/h), na 100 m2 roštu ohřátým vzduchem ohřívačem s tepelným výkonem 200 W/m2
Seník Francova Lhota
Zdejší solární podhorský seník se skleněným krytem byl sestaven ze dvou halových konstrukcí typu HP l5, mezi kterými byl zastřešený prostor. Nízkou zástavbou (8,6 m) nepůsobil v podhorském regionu východní Moravy rušivě, přitom i menší skladovací prostor byl dokonale využit, protože manipulační zařízení, drapákový jeřábek, pojížděl po dráze zcela ve vrcholu krovu.
Drátosklo pro světlopropustný kryt, které bylo použito z ohledem na vyšší zatížení sněhem, zajistilo i o něco větší účinnost než sklolamináty a bylo i levnější. Spodní podhled, uzavírající spodní vzduchovod, byl zhotoven z desek Dupronit. Svod ohřátého vzduchu dvojitou plechovou boční stěnou opatřenou také skleněným krytem.
Zdvojené seníky s manipulačním prostorem mezi nimi poskytly pro solární kolektor 2400 m2, což představovalo ve své době vůbec největší solární zařízení v celé republice. Na 1 m2 roštové dosoušecí plochy tak připadalo 2 m2 solárního ohřívače, který byl zhotoven jako dvoukanálový.
Schéma 1: Sluneční ohřívač vzduchu s kašírovanou plachtovinou: 1 lišta, 2 - kašírovaná plachtovina, 3 - nosná lať, 4 - stojánka nosné lat, 5 - absorbér (černě natřený plech), 7 - nosník (pozinkovaný plech), 8 - tepelná izolace, 9 - původní střecha, 10 - krokev
Schéma 2: Sluneční ohřívač vzduchu se světlopropustnou sklolaminátovou vlnovkou: 1 - sklolaminát, 2 - nosná lať, 3 - stojánka, 4 - původní opláštění (černě nazřený plech). 5 - krokev, 6 - nosník (pozinkovaný plech), 7 - rošt z latí, 8 - sololit
I při činnosti všech osmi ventilátorů APR 1000/11 kW bylo za pěkného počasí dosaháno příhřevu 5 - 6 °C po dobu 8 - 10 hodin denně. Průměrný příhřev byl stanoven na 3,5 °C při snížení relativní vlhkosti vháněného vzduchu asi o 15 až 25 %.
Celková doba sklizně luk na seno trvala 35 dní, vlhkost navážených zavadlých travin se pohybovala kolem 35 %. Plný sluneční svit trval 193 hodin, v průměru jen 5,5 h s příkonem od 150 až do 700 W/m2 denně, s tepelným výkonem ohřívače do 600 kW. Účinnost ohřívače se pohybovala kolem 50 %, stěnový ohřívač měl je jen asi čtvrtinu výkonu střešního dílu. Nutno dodat, že ve sledovaném období byly přeháňky téměř každý druhý den a průměrná denní venkovní teplota byla 14,5 °C. To byly pro sušení píce velmi nepříznivé podmínky a bez příhřevu by se pravděpodobně kvalitní seno vůbec nevyrobilo.
Závěry a doporučení
Realizací několika solárních seníků se skleněným světlopropustným krytem dvoukanálového ohřívače, využívajícího plechové opláštění, byly dokončeny několikaleté ověřovací a výzkumné práce.
V dalších letech se u nás postavilo mnoho různých typů "solárních" seníků, ale většinou s jednokanálovými ohřívači, bez světlopropustného krytu. Dnes jich pro výrobu sena slouží jen několik, což souvisí i s faktem, že intenzita a kvalita výroby pícnin u nás poklesla obecně a výrazně. Přitom by tyto investičně poměrně nenáročné solární kolektory, využívající velké plochy střech nebo jižních stěn velkokapacitních objektů, umožnily získávat po nejméně jedné třetiny roku až 200 W/m2 tepelné energie, využitelné k sušení zemědělských produktů nebo k jinému užitečnému ohřevu.
Literatura:
- Kosař J., Dolejš J. Dosoušení sena v nepříznivých klimatických podmínkách s možností přihřívání. Metodika ÚVTIZ Praha č. 8/ 1983.
- Mikulík J.: ČSN 46 7010 Dosoušení píce aktivním větráním. 1967.
- Nydwgger F.: Sonnenkollektor und Kaltbelüftung - ein Vergleich. FAT-Mitteilungen 12, č. 10 1981
- Sladký V., Bradna J.: Vývoj a realizace slunečních ohřívačů vzduchu pro halové seníky. Zpráva VÚZT Praha č. 1819/l983.
- Sladký V.: Výroba sena v halových senících. Metodika ÚZPI Praha č., 16/1984
In relation with the present discussions on the use of solar energy it is useful to mention one important stage of Czech agriculture - the production of really high-quality roughage. Besides the development of methods of silage and haylage, thirty years ago the researchers looked at final drying of forage in large-scale haylofts using air solar collectors.