Porovnání centrálního a decentrálního solárního systému přípravy teplé vody
Analýza centrálního a decentrálního solárního systému přípravy teplé vody pro bytový dům ukazuje, že využitelný solární zisk a celoroční účinnost jsou podobné, ale zásadně se liší solární pokrytí a potřeba energie záložního zdroje tepla.
Úvod
Příspěvek se zabývá simulační analýzou solárního systému přípravy teplé vody pro bytový dům ve dvou variantách – centrální a decentrální. Analýza ukazuje vliv obou variant na celkovou energetickou náročnost přípravy teplé vody. Výsledky analýzy ukazují, že využitelný solární tepelný zisk a celoroční provozní účinnost jsou podobné u obou druhů variant solárního systému. Uvažované varianty se nicméně zásadně liší solárním pokrytím a potřebou energie záložního zdroje tepla, a to z důvodu odlišné celkové potřeby tepla na přípravu teplé vody.
![Obr. 1 Poměrná potřeba tepelné energie v závislosti na roce výstavby bytového domu [2]](/docu/clanky/0248/024833o1.png)
Obr. 1 Poměrná potřeba tepelné energie v závislosti na roce výstavby bytového domu [2]
Požadavky na energetickou náročnost budov procházejí v poslední době velkými změnami. V minulosti se největší podíl tepelné energie dodané do objektu spotřebovával na vytápění. Jelikož zateplováním neprůsvitných částí obálky budovy, výměnou starých oken za nové (izolační a vzduchotěsné) a dalšími opatřeními se výrazně snižuje potřeba tepla na vytápění, podíl potřeby tepla na přípravu teplé vody v celkovém energetickém hodnocení budovy roste (Obr. 1). U bytových domů v pasivním energetickém standardu (PD) podíl potřeby tepla na přípravu teplé vody z pohledu celkové potřeby tepla přesahovat i 60 % [1].
Se zavedením nových standardů energetické náročnosti budov lze očekávat větší využití obnovitelných zdrojů energie zapojených do přípravy teplé vody, a to zejména solárních systémů. Využití sluneční energie pro přípravu teplé vody v budovách je výhodné vzhledem k celoročně přibližně konstantní potřebě tepla na její ohřev. Solární termické systémy pro přípravu teplé vody mají dobrou využitelnost, v současnosti jsou již relativně rozšířené, veřejností jsou vnímány jako smysluplná opatření a pro jejich realizaci jsou poskytovány státní dotace.
Návrh a zapojení solárního systému pro přípravu teplé vody se liší v závislosti na aktuálním způsobu přípravy teplé vody v bytovém domě. V případě připojení na CZT nebo na centrální zdroj tepla se volí centrální solární systém se společným akumulačním zásobníkem – solární systém je integrován do stávající soustavy přípravy teplé vody jako předřazený stupeň (předehřev). Konvenční ohřívač vody pak slouží pro pohotovostní dohřev jako záložní zdroj. V případě decentrálních (individuálních) ohřívačů vody umístěných v každém bytě lze navrhnout individuální solární systém s individuálním zásobníkem. V tomto případě solární systém předehřívá spodní část akumulačního zásobníku a horní část zásobníku je dohřívaná konvenčním zdrojem.
Cílem následující analýzy je porovnat centrální a decentrální solární systémy z pohledu celkové efektivity řešení přípravy teplé vody.
Bytový dům
Energetická náročnost dané varianty solárního systému (centrální, decentrální) byla zkoumána pro definovaný bytový dům s 16 byty obývaný 48 osobami s průměrnou spotřebou teplé vody na úrovni 40 l/os.den při teplotní úrovni 55 °C. Teplota studené vody se během roku mění a byla převzata ze vstupních klimatických údajů typického meteorologického roku (TMY Meteonorm). Denní a roční profily odběru teplé vody jednotlivých bytů byly vygenerovány tak (Obr. 2a), aby součet všech profilů nakonec odpovídal charakteristickému profilu odběru teplé vody pro bytový dům (Obr. 2b) [3]. Bylo uvažováno, že v letním období od 1. července do 31. srpna vždy 4 z 16 bytů nemají žádnou spotřebu (předpokládá se, že všichni obyvatelé bytu jsou mimo domácnost na dovolené), ostatních 12 bytů má svou standardní spotřebu vody. Postupně se během letního období všechny byty „na dovolené“ vystřídají. V součtu pro celý bytový dům platí, že v letním období dochází ke snížené potřebě teplé vody o cca 25 %.
![Obr. 2a Hodinové profily podílu z denní potřeby teplé vody pro byty č. 1 až č. 4 [3]](/docu/clanky/0248/024833o3.png)
a)
![Obr. 2b Hodinové profily podílu z denní potřeby teplé vody pro celý bytový dům [3]](/docu/clanky/0248/024833o5.png)
b)
Obr. 2 Hodinové profily podílu z denní potřeby teplé vody pro byty č. 1 až č. 4 (a) a pro celý bytový dům (b) [3]
Centrální solární systém
Pro centrální solární systém bylo navrženo 16 plochých solárních kolektorů o celkové hrubé ploše 40,3 m2 (plocha apertury 38,2 m2) se sklonem 45° a orientací k jihu. Byla uvažována průměrná kvalita solárních kolektorů, křivka účinnosti kolektorů je dána koeficienty η0 = 0,759, a1 = 3,48 W/m2.K a a2 = 0,016 W/m2.K2. Koeficienty jsou vztaženy k ploše apertury solárního kolektoru. Schéma solárního systému pro ohřev vody je uvedeno na Obr. 3. Kolektorový okruh má celkovou délku potrubí 114 m, z toho 35 m a 39 m jsou přívodní a vratné potrubí vedené venkovním prostředím. Zbylé potrubí, 20 m přívodního a 20 m vratného potrubí, je vedené uvnitř budovy. Světlost hlavního potrubí z mědi je 42×1,5 mm. Potrubí je opatřeno tepelnou izolací tloušťky 30 mm se součinitelem tepelné vodivosti 0,037 W/m.K. Kolektorové pole je provozováno v režimu s nízkým průtokem 15 l/h.m2 a je napojeno na vodní akumulační zásobník tepla přes deskový výměník s vysokou účinností sdílení tepla 80 %. V kolektorovém poli je uvažována nemrznoucí kapalina s teplotou tuhnutí −32 °C. Objem solárního akumulačního zásobníku byl navržen 1,5 m3, což přibližně odpovídá běžnému navrhovanému poměru 40 l/m2 plochy solárních kolektorů.
Obr. 3 Schéma centrálního solárního systému pro přípravu teplé vody
Akumulační zásobník je opatřen tepelnou izolací tloušťky 100 mm se součinitelem tepelné vodivosti 0,035 W/m.K. Na výstupu ze solárního zásobníku je instalován termostatický směšovací ventil TSV s nastavením 55 °C pro omezení maximální teploty vody vystupující ze solárního zásobníku do pohotovostního zásobníku s dohřevem vody. Objem pohotovostního zásobníku je 500 l a je trvale dohříván na požadovanou teplotu 55 °C (s hysterezí 5 K). Na pohotovostní zásobník je napojen rozvod teplé vody a cirkulace. Rozvod teplé vody je z PPR plastu a má celkovou délku všech potrubí 264 m, z toho 131 m a 133 m jsou přívodní a cirkulační potrubí. Světlosti potrubí teplé vody a cirkulace byly stanoveny v souladu s příslušnými normami. Tepelná izolace potrubí byla uvažována ve vyšším izolačním standardu (tloušťka odpovídající zhruba světlosti potrubí). Na patě cirkulačního rozvodu instalován trojcestný přepínací ventil 3PV, který umožňuje v případě dostatečné teploty v solárním zásobníku přepnout cirkulační okruh pro dohřev solárním teplem. V rámci analýzy bylo uvažováno s provozem cirkulace teplé vody po celý den (neřízená cirkulace).
Decentrální solární systém
Druhou zkoumanou variantou jsou decentrální solární systémy se zásobníky umístěnými v jednotlivých bytech s individuální přípravou teplé vody. Na každý zásobník je napojen na vlastní malý solární systém. Pro decentrální solární systém byly ploché solární kolektory navrženy tak, že jeden solární kolektor o hrubé ploše 2,52 m2 (plocha apertury 2,39 m2) je napojen na jeden decentrální systém přípravy teplé vody pro 1 byt. Celkový počet a plocha solárních kolektorů jsou tedy stejné jako u centrálního systému. Byly uvažovány solární kolektory se stejnými parametry účinnosti, také sklon kolektorů je stejný jako u centrálního systému 45° a orientace k jihu. Délka kolektorového okruhu u decentrálního systému se liší v závislosti na umístění bytu. Například byt, který se nachází v 1. patře, má 12 m přívodního a 12 m vratného potrubí vedeného uvnitř budovy, a 3 m přívodního a 5 m vratného potrubí vedeného venkovním prostředím. Na druhou stranu byt, který se nachází ve 4. patře, má 3 m přívodního a 3 m vratného potrubí vedeného uvnitř budovy, a 6 m přívodního a 8 m vratného potrubí vedeného venkovním prostředím. Celková délka všech kolektorových okruhů u decentrálního systému je 416 m, z toho 240 m je vedeno uvnitř budovy a 176 m je vedeno venku. Světlost měděného potrubí jednotlivých solárních systémů je 18×1 mm. Potrubí je opatřeno tepelnou izolací tloušťky 20 mm se součinitelem tepelné vodivosti 0,037 W/m.K. V kolektorovém okruhu je uvažována nemrznoucí kapalina s teplotou tuhnutí −32 °C. Jednotlivé kolektory jsou provozované v režimu s vysokým průtokem 60 l/h.m2. Teplo získané ze solárních kolektorů je přivedeno do individuálních akumulačních zásobníků přes vestavěný trubkový výměník tepla. Objem každého akumulačního zásobníku byl navržen 144 l. V horní pohotovostní části objemu akumulačního zásobníku (30 % = 43 l) udržuje požadovanou teplotu vody 55 °C konvenční zdroj. Každý akumulační zásobník je opatřen tepelnou izolací tloušťky 40 mm se součinitelem tepelné vodivosti 0,035 W/m.K. V rámci analýzy nebyly započítány ztráty tepla v rozvodech teplé vody uvnitř jednotlivých bytů, podobně jako u centrálního systému. Schéma decentrálního solárního systému pro ohřev vody je uvedeno na Obr. 4.
Obr. 4 Schéma decentrálního solárního systému pro přípravu teplé vody
Simulační analýza
Pro vyhodnocení a analýzu provozního chování solárních systémů byly vytvořeny matematické modely solárních systémů v simulačním prostředí TRNSYS. Klimatické údaje použité v simulační analýze byly převzaty z typického meteorologického roku TMY (Meteonorm) pro Prahu. Klimatické údaje vykazují relativně konzervativní úhrn dopadající sluneční energie na vodorovnou rovinu 998 kWh/m2.rok s roční průměrnou teplotou venkovního vzduchu 7,9 °C. Úhrn sluneční energie dopadající na rovinu solárních kolektorů se sklonem 45° je 1118 kWh/m2.rok. Simulace byly prováděny s časovým krokem 3 min. Výsledky simulační analýzy pro uvažované varianty uvedeny v Tab. 1.
| Centrální systém | Decentrální systém | |
|---|---|---|
| Celková roční potřeba tepla pro přípravu teplé vody [MWh/rok] | 50,20 | 41,62 |
| z toho potřeba tepla na vlastní ohřev vody | 36,33 | 36,33 |
| z toho tepelné ztráty: | 13,87 | 5,29 |
| rozvodu teplé vody a cirkulace | 13,13 | – |
| odběrového zásobníku/odběrových zásobníků | 0,74 | 5,29 |
| Potřeba tepla záložního zdroje | 32,77 | 24,34 |
| Celkový roční zisk solárního systému [MWh/rok] | 17,43 | 17,28 |
| z toho roční zisk solárních kolektorů [MWh/rok] | 20,20 | 20,83 |
| z toho tepelné ztráty potrubí solárního systému [MWh/rok] | −2,34 | −3,55 |
| z toho tepelné ztráty solárního zásobníku [MWh/rok] | −0,44 | – |
| Účinnost solárního systému [%] | 41 | 40 |
| Solární pokrytí [%] | 35 | 42 |
Z výsledků je zřejmé, že zejména celková roční potřeba tepla pro přípravu teplé vody je vyšší u centrálního systému, tepelné ztráty přípravy teplé vody jsou 38 % z potřeby tepla na vlastní ohřev vody, a to především vlivem cirkulace teplé vody a s ní spojenými tepelnými ztrátami. Tepelné ztráty pohotovostního zásobníku u centrálního solárního systému jsou zanedbatelné, protože tvoří cca 2 % z potřeby tepla na vlastní ohřev vody. Naproti tomu tepelné ztráty přípravy teplé vody u decentrálního systému činí pouze 15 %, a to i přes použití 16 individuálních akumulačních zásobníků. U obou systémů byly ztráty tepla v rozvodech teplé vody uvnitř bytů v rámci analýzy zanedbány.
Z Tab. 1 je patrné, že roční zisk obou solárních systémů je podobný, podobně i roční účinnost. Nicméně, solární pokrytí je vyšší u decentrálního solárního systému než u systému centrálního právě z důvodu vyšší potřeby tepla pro přípravu teplé vody u centrálního systému. Proto u centrálního systému je potřeba více dodatkové energie ze záložního zdroje a energetická náročnost přípravy teplé vody je tedy vyšší při stejné instalované ploše solárních kolektorů.
Závěr
Cílem dané analýzy bylo porovnat solární systém přípravy teplé vody ve dvou variantách – centrální a decentrální. S využitím matematických modelů obou variant solárního systému vytvořených v simulačním prostředí TRNSYS a celoroční simulace byly teoreticky porovnány oba systémy. Přestože analýza byla provedena pouze pro jeden případ bytového domu a výsledky nelze zcela zobecnit, jedná se o zajímavý závěr. Na první pohled by se mohlo zdát, že decentrální systémy mají výraznou nevýhodu z pohledu efektivity. Mají výrazně větší délky potrubí, i když s menší dimenzí. Mají vyšší potenciální nevyužitelnost solárních zisků z kolektorů, kdy se zisky solárních kolektorů dedikovaných bytům, jejichž obyvatelé jsou na dovolené, nevyužijí pro ostatní byty jako je tomu u centrálního systému. Tyto úvahy se však neprokázaly jako zásadní, celkové solární zisky obou systémů jsou podobné a z pohledu energetické náročnosti jsou dokonce decentrální systémy výhodnější díky menší celkové potřebě tepla, kterou mají krýt. Energetická náročnost decentrálních solárních systémů ohřevu vody se ukázala o 26 % nižší než v případě centrálního solárního systému.
Praktické provedení solárních systémů v bytových domech nicméně přirozeně vede k centrálním řešením. Při jejich návrhu je proto zásadně doporučováno omezit potřebu tepla pro přípravu teplé vody minimalizací délky rozvodů teplé vody, omezením tepelných ztrát v rozvodech teplé vody a cirkulace, omezením běhu cirkulace na nezbytně nutnou dobu, případně využitím řízené cirkulace na základě teplotních čidel.
Literatura
- DUFKA, J. Ohřev vody, aneb příprava teplé vody, I. díl. In: TZB-info [online]. Dostupné z:
https://voda.tzb-info.cz/priprava-teple-vody/17724-ohrev-vody-aneb-priprava-teple-vody-i-dil. - Pezzutto, S., Zambotti S., aj. Hotmaps Project, D2.3 WP2 Report – Open Data Set for the EU28, 2018. Dostupné z: https://www.hotmaps-project.eu/.
- ČSN EN 15316-3-1. Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy – Část 3-1: Soustavy teplé vody, charakteristiky potřeb (požadavky na odběr vody). Praha: ÚNMZ, 2010.
An analysis of a central and decentralized solar domestic hot water system for an apartment building shows that the usable solar gain and year-round efficiency are similar, but the solar coverage and the need for backup heat source energy are fundamentally different.