Simulační nástroje pro hodnocení solárních soustav

Pokud existuje potřeba podrobně a spolehlivě hodnotit konkrétní řešení solární soustavy, je nezbytné použít některý z dostupných simulačních nástrojů. Takovým případem může být například smlouva o garantovaných solárních ziscích, kdy je nutné již v projekční fázi s vysokým stupněm jistoty stanovit budoucí minimální zisky navržené solární soustavy za definovaných podmínek odběru tepla, za které se dodavatel zaručí.

Matematické modelování solárních soustav s využitím moderních komplexních simulačních nástrojů umožňuje, pokud má uživatel dostatečnou zkušenost, poměrně přesné stanovení zisků pro předpokládané podmínky provozu a klimatické údaje. Počítačové simulace využívají matematických modelů jednotlivých prvků definovaných podrobnými parametry vycházejícími z výsledků laboratorních zkoušek.

Tab. 1 - Porovnání různých vlastností simulačních programů (*pro různé varianty programu)

Simulační programy lze rozdělit na:

• systémové - programy s předdefinovanými hydraulickými zapojeními solárních soustav (šablonami), použitelnými prvky soustav a parametry vlastního výpočtu. Parametry prvků se jednotlivě zadávají nebo se vybírá přímo konkrétní výrobek. Programy umožňují detailní a energetické hodnocení zjednodušeně zadané solární soustavy s dostatečnou přesností a přitom zůstávají relativně přátelské pro uživatele. Kromě energetických výpočtů umožňují programy často i detailní studie ekonomické a ekologické;
• modulární - uživatel musí funkční hydraulické schéma solární soustavy složit z jednotlivých modelů prvků (podprogramů, vlastních programů) jako jsou kolektory, zásobníky, čerpadla, potrubí, regulace, výměníky, kotle, aj. a nastavit potřebné parametry vlastního matematického výpočtu. Flexibilita zadání solární soustavy klade nároky na uživatele, který musí být schopen analyzovat funkci simulačního modelu solární soustavy a zajistit, že všechny definované parametry v jednotlivých modelech prvků jsou správně zadány a propojeny svými vstupy a výstupy.

Simulační programy dostupné pro projektanty (Polysun, T*SOL, GetSolar) zpravidla stanovují provozní parametry solární soustavy na základě výpočtu energetických bilancí v hodinových krocích (krok po kroku). Pokročilé dynamické simulační programy (TRNSYS) řeší příslušné diferenciální rovnice, což klade nároky na jednak zadání vstupních parametrů, stabilitu výpočtu a jeho časovou náročnost. Dynamické simulační programy se využívají především v oblasti vědeckých výpočtů. V dalším textu jsou stručně představeny dva nejpoužívanější výpočetní programy pro pokročilé projekční hodnocení solárních soustav Polysun a T*SOL.

Polysun

Program Polysun je vyvíjen od roku 1992 v Institut für Solartechnik SPF Rapperswil (Švýcarsko). Umožňuje simulaci solárních soustav pro přípravu teplé vody, solárních kombinovaných soustav či soustav technologických. Obsahuje velmi obsáhlou databázi solárních kolektorů, které byly přímo ve výzkumném ústavu zkoušeny, nicméně umožňuje i zadání vlastních parametrů solárního kolektoru. Polysun obsahuje klimatické databáze pro více než 6300 lokalit z celého světa včetně ČR.

Obr. 1 - Příklad složení solární soustavy pro přípravu TV z připravených prvků v programu Polysun 4

V nejjednodušší verzi programu lze používat pouze předdefinované šablony hydraulických zapojení solárních soustav, nicméně program umožňuje volbu některých parametrů u jednotlivých prvků, ovládání je intuitivní a lze jej snadno zvládnout v krátké době. V pokročilejší verzi je možné definovat vlastní prvky a zařízení. Vývojářská verze je potom koncipována jako modulární program, kdy je možné jednotlivé prvky skládat jako moduly do požadovaného hydraulického zapojení solární soustavy. V databázi je množství předpřipravených modulů s nadefinovanými parametry, které lze měnit. K dispozici je také modul pro simulaci budovy, včetně geometrie budovy, izolace, oken apod. Program umožňuje analýzu stínění kolektorového pole. Program lze využít pro řešení komplexních solárních soustav i s prvky jako jsou tepelná čerpadla, fotovoltaické systémy nebo chlazení budov. Výsledky jsou prezentovány jako měsíční úhrny nebo průměry energetické bilance s návazným ekonomickým a ekologickým hodnocením.

Program Polysun je kompletně přeložen do češtiny a je relativně rozšířený i mezi českými projektanty a dodavateli solárních kolektorů a soustav.

T*SOL

Program T*SOL je vyvíjen od roku 1993 v Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH (Německo). Program je k dispozici v několika variantách. Jednodušší verze programu obsahuje pouze 5 základních šablon hydraulických zapojení solárních soustav pro přípravu teplé vody. Nicméně, program je vhodný pro širokou veřejnost, pro výukové účely v rámci vzdělávání odborníků v oboru nebo pro základní výpočty energetických bilancí jednoduchých solárních soustav pro přípravu TV. Program obsahuje klimatické databáze ze 650 lokalit v celé Evropě. Pokročilá verze programu pracuje s klimatickými databázemi Meteonorm s údaji z 2000 lokalit, případně umožňuje zadat naměřené klimatické údaje (expertní verze).

Obr. 2 - Výběr varianty zapojení solární soustavy v programu T*SOL

Pokročilé verze umožňují vybírat z velkého množství šablon hydraulických zapojení a u jednotlivých prvků lze upravovat jejich parametry. K dispozici jsou databáze solárních kolektorů a zásobníků s upravitelnými parametry. Program umožňuje podrobné simulace s hodinovým nebo 6 minutovým krokem. Program umožňuje analýzu stínění solárních kolektorů překážkami. Program lze využít pro parametrické analýzy k optimalizaci prvků a provozních parametrů solární soustavy, import experimentálních dat, současné porovnávání dvou variant návrhu, aj. Součástí programu je i ekonomická a emisní analýza zvolené solární soustavy. Grafický výstup výsledků je přehledný a umožňuje poměrně snadno procházet výsledky po dnech týdnech či měsících. Program má několik jazykových variant, česká však zatím chybí s výjimkou některých čistě firemních verzí.

Odkazy

Polysun 4, Institut für Solartechnik SPF, Švýcarsko, dostupné z www.solarenergy.ch
T*Sol, Dr. Valentin EnergieSoftware GmbH, Německo