Hydraulická zapojení

následující text předchozí text

Hydraulický návrh solární soustavy vždy vychází z požadavků, které má solární soustava plnit, tzn. z počtu a typu spotřebičů, možnosti instalace na objektu, typu dodatkového zdroje atd. Různé varianty řešení je tedy možné provést jak na primární straně (solárním okruhu), tak na sekundární straně (dodatkovém zdroji tepla, odběru tepla). Z toho vyplývá nepřeberné množství kombinací zapojení solárních soustav a je vždy na projektantovi, aby zvolil vhodné řešení pro danou aplikaci.

V následujících kapitolách je přehled základních schémat zapojení solárních soustav, která se nejčastěji v běžných aplikacích solárních soustav vyskytují.
U každého schématu je ke stažení k dispozici verze ve formátu DWG doplněná o veškeré armatury a detaily zapojení.

1.1 primární okruh

Obr. 1a,b - Zapojení s jedním vestavěným výměníkem
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Nejjednodušší zapojení solární soustavy je na Obr. 1. Je možné ho použít pouze pro maloplošné solární soustavy nebo středně plošné při souproudém zapojení (Tychelmann) akumulačních nádob s vestavěnými výměníky.

Maximální plocha připojených kolektorů je vždy dán plochou vestavěného výměníku a typem použitých trubek. Při použití např. měděných žebrovaných trubek pro vestavěný výměník bude plocha výměníku větší než při použití hladkých trubek a tím bude větší i maximální plocha připojených kolektorů.

Pokud je plocha kolektorového pole větší, než je možné přenést vestavěnými výměníky, je jediným možným řešením externí výměník (Obr. 2). V převážné většině případů jsou pro solární soustavy používané deskové výměníky (pájené, šroubované) pro svůj vysoký tepelný výkon za příznivou cenu. Nevýhodou tohoto zapojení je, že tím vzniká sekundární okruh s dalším oběhovým čerpadlem (zvýšení parazitní energie) a u soustav pro přípravu teplé vody protéká tímto okruhem neupravená voda, která může způsobovat usazování inkrustací a tím postupné zanášení tohoto okruhu.

Obr. 2 - zapojení s externím výměníkem
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Pokud to akumulační nádoba umožňuje více vestavnými výměníky nebo více vstupy/výstupy, je možné zapojit primární okruh s jednoduchou stratifikací, většinou do dvou hladin (Obr. 3).

Obr. 3a,b,c - Zapojení primárního okruhu se stratifikací do dvou hladin
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Tímto zapojením je dosaženo alespoň částečně rychlejšího nahřátí horní části zásobníku. Zapojení se sériovým řazením výměníků (Obr. 3b) umožňuje připojit větší plochu kolektorového pole, ovšem po přepnutí na spodní výměník může dojít ke zvýšení střední teploty v solární soustavě a tím k poklesu účinnosti. Ve většině případů je však spodní výměník samostatně používán v tom případě, že není dostatečná výstupní teplota z kolektorů, aby se ohřála horní část zásobníku, tzn. snížený výkon solární soustavy vlivem nižšího ozáření, takže daný výkon solární soustavy se dokáže předat i na spodním výměníku.

Na trhu se dnes již běžně objevují zásobníky s vestavěnými stratifikátory, určené pro solární soustavy s nízkým průtokem. Ve většině případů se jedná o vestavěné výměníky ve spodní části zásobníku, nad níž je instalován stratifikátor (Obr. 4). Výhodou těchto zásobníků je velmi rychlý ohřev horní části zásobníku na požadovanou teplotu a minimalizace potřeby dohřevu dodatkovým zdrojem.

U velkoplošných solárních soustav jsou stratifikátory ve většině případů řešeny na míru pro daný zásobník, často provedený jako beztlaký.

Obr. 4a,b - Zapojení primárního okruhu do zásobníku se stratifikátorem
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

U solárních soustav, které mají rozlehlé venkovní rozvody, se doporučuje instalovat ochranu proti podchlazení akumulační nádoby nebo zamrznutí deskového výměníku. Při rozlehlých venkovních rozvodech může v období s nízkými venkovními teplotami vzduchu pod bodem mrazu dojít k ochlazení nemrznoucí kapaliny na teplotu okolí. Při ozáření kolektorů dojde k jejich velmi rychlému ohřátí a sepnutí oběhového čerpadla. V potrubí je však velmi chladná teplonosná látka, která by zásobník v době po rozběhu nejprve ochlazovala. Doporučuje se proto instalace trojcestného ventilu ve funkci bypasu zásobníku nebo deskového výměníku (Obr. 5)

Obr. 5a,b,c,d - Ochrana akumulační nádoby před ochlazením při nízkých teplotách
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Správné zapojení ochrany před nízkými teplotami je na Obr. 5a,b, kdy trojcestný ventil chrání zásobník, popř. výměník tepla a zásobník.

Zapojení Obr. 5c umožňuje ochranu zásobníku tím, že se nejprve rozeběhne oběhové čerpadlo primárního okruhu a teprve po dosažení dostatečné teploty na čidle teploty T se sepne oběhové čerpadlo sekundárního okruhu. V tomto případě by však mohlo snadno dojít k zamrznutí vody na sekundární straně v deskovém výměníku a tím k jeho poškození.

Ze stejného důvodu je nevhodné řešení Obr. 5d, kde by se zamrznutí výměníku dalo předejít přisáváním teplejší vody ze zásobníku, ale tím by se snižovaly energetické zisky ze solární soustavy.

Další hledisko zapojení primárního okruhu solární soustavy může být podle způsobu připojení více spotřebičů (Obr. 6). Dříve nejběžnější zapojení využívalo k přepínání mezi jednotlivými spotřebiči dvoupolohové trojcestné klapky nebo ventily Obr. 6a. Další možnou variantou je použití elektroventilů na každé větvi nebo samostatných oběhových čerpadel. Obě řešení mají výhodu v tom, že je možné dodávat energii ze solární soustavy do více spotřebičů najednou (pokud je dostatečný výkon). Navíc řešení se samostatnými čerpadly (Obr. 6c) má tu výhodu, že každé čerpadlo může být individuálně dimenzováno na tlakové ztráty dané větve, na požadovaný průtok. U řešení podle Obr. 6a,b je nutné buď větve s požadovaným nižším průtokem zaregulovat (seškrtit) nebo ponechat větší průtok, než je projektový.

Obr. 6a,b,c - Zapojení primárního okruhu s více spotřebiči
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Při některých aplikacích může nastat situace, kdy je nutné rozdělit kolektorové pole na více sekcí, přičemž není shodná jejich orientace nebo sklon, popř. obojí. Každá část se potom z provozního hlediska chová jinak a je nutné pro každou část instalovat oběhové čerpadlo a individuálně ho spínat (). Dnešní kvalitní regulátory už v sobě tuto variantu zapojení primárního okruhu mají a umožňují tak připojení dvou teplotních čidel z kolektorů a spínání příslušných oběhových čerpadel.

Obr. 7 - Zapojení primárního okruhu solární soustavy se dvěma kolektorovými poli
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

1.2 zapojení dodatkového zdroje tepla

V převážné většině případů nelze solární soustavu provozovat jako monovalentní z hlediska dodávky energie do spotřebiče. Je proto nutné počítat se začleněním dodatkového zdroje tepla do koncepce celé soustavy.

V následujících schématech jsou naznačena základní řešení u nejčastěji se vyskytujících případů instalace dodatkového zdroje tepla.

Na Obr. 8 je základní zapojení dodatkového zdroje tepla do bivalentního zásobníku. O tom, zda bude využit vestavěný výměník nebo ohřev přes deskový výměník, rozhoduje výkon dodatkového zdroje tepla, tzn., zda je možné plný výkon zdroje tepla přes vestavěný výměník přenést. Zapojení Obr. 8a,b odpovídá zapojení u malých solárních soustav v RD nebo u menších bytových domů. V případě elektrického dohřevu je výkon omezen velikostí povoleného jističe. Zapojení Obr. 8c odpovídá zapojení středněplošných a velkoplošných solárních soustav, kde je dohřev realizován z kotle o velkém výkonu nebo přes předávací stanici tepla a přenášený výkon je dán pouze velikostí výměníku.

Obr. 8a,b,c - Zapojení dodatkového zdroje tepla do bivalentního zásobníku
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Na Obr. 9a,b je dohřev realizován mimo solární zásobník. Výhodou tohoto zapojení je zvýšení akumulačního objemu, který je určen pouze pro solární soustavu. Zapojení podle Obr. 9a s průtokovým dohřevem vyžaduje jednak velký výkon dohřívače, dimenzovaný na jmenovitý průtok TV, ale také dohřívač s plynulou regulací výkonu, aby nemohlo dojít k přehřátí vody v případě, že do dohřívače vstupuje již předehřátá voda ze solárního zásobníku.

Obr. 9a,b - Zapojení dodatkového zdroje tepla s externím dohřevem
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Se zapojením z Obr. 9a,b souvisí i umístění bezpečnostního termostatického ventilu, který chrání odběrné místo před překročením maximální povolené teploty vody. Ten může být umístěn buď mezi solárním zásobníkem a dohřívačem (Obr. 10a) nebo až za externím dohřívačem (Obr. 10b). Rozdíl zapojení je dán funkcí bezpečnostního termostatu v externím dohřívači.

Obr. 10 a,b - Variantní zapojení bezpečnostního směšovacího ventilu u zapojení s externím dohřevem
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Pokud je funkce bezpečnostního termostatu taková, že při překročení nastavené teploty vypne dohřev, po poklesu teploty se nevrátí do polohy "zapnuto" a je nutný zásah obsluhy, je nutné použít zapojení podle Obr. 10a. Pokud se bezpečností termostat dokáže i bez zásahu teploty do polohy "zapnuto" vrátit i bez zásahu obsluhy, je možné použít zapojení podle Obr. 10b.

1.3 zapojení odběru tepla

Stejně jako u dodatkového zdroje je i zapojení odběru tepla ze solárního zásobníku závislé jednak na typu solární soustavy (příprava TV nebo kombi-soustava) a také na typu použitého zásobníku.

Nejjednodušší zapojení u soustav pro přípravu TV je na Obr. 11

Obr. 11 - Zapojení odběru tepla solární soustavy pro přípravu TV
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

U kombinovaných soustav jsou možnosti zapojení závislé zejména na typu použitého zásobníku.

Obr. 12a,b,c - Zapojení odběru tepla kombinované solární soustavy
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Nejjednodušší zapojení je na Obr. 12a. Toto zapojení však vyžaduje velkou plochu výměníku pro přípravu TV. Navíc je spodní část zásobníku ochlazována pouze klesavými proudy ochlazené vody, čímž dochází k promíchání vody v zásobníku a tím snížení teploty v horní části. Naproti tomu zapojení podle Obr. 12b,c umožňuje nejprve ochlazení spodní části a teprve předehřátá voda se dostává do horní části zásobníku. Efekt promíchávání je tak podstatně potlačen.

U základního zapojení podle Obr. 12a lze efekt promíchávání minimalizovat použitím vestavěného prvku, který zvyšuje proudění kolem vestavěných výměníků a minimalizuje proudění ve zbytku zásobníku (Obr. 13)

Obr. 13 - Zapojení odběru tepla solární soustavy s ochranou vestavbou
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Další možností u kombinovaných solárních soustav je využití tzv. plovoucího zásobníku pro přípravu TV. Možnosti zapojení jsou na Obr. 14a,b

Obr. 14 a,b - Zapojení odběru tepla kombinované solární soustavy s plovoucím zásobníkem
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Stejně jako při použití vestavěných výměníků, tak i při použití plovoucího zásobníku pro přípravu TV by měla být dodržena zásada, že studená voda je přivedena do spodní části plovoucího zásobníku.

U velkoplošných solárních soustav, nebo u objektů s velkým odběrem TV je v některých případech realizována příprava TV přes deskový výměník (použití standardní předávací stanice). Výhodou tohoto řešení je optimální navržení deskového výměníku podle požadavku odběru TV.

Obr. 15 - Zapojení odběru tepla velkoplošné kombinované solární soustavy
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

1.4 zapojení cirkulace

Pokud je v objektu instalována cirkulace teplé vody, je potřeba vzít tento fakt při projektování solární soustavy v úvahu. Špatně zapojená cirkulace může podstatně snížit solární zisky například tím, že bude ohřívat solární zásobník. Sníží se tak účinnost solární soustavy a zkrátí doba jejího běhu.

1.4.1 Solární soustavy pro přípravu TV

Obr. 16a,b - Zapojení cirkulace u solární soustavy pro přípravu teplé vody (a - správně, b - špatně)
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Pokud má solární soustava pro přípravu TV samostatný zásobní a externí dohřev, například pokud zůstává původní ohřívač TV a přidává se nový zásobník solární soustavy, přichází v úvahu dvě základní zapojení (Obr. 17)

Obr. 17a,b - Zapojení cirkulace u solární soustavy pro přípravu teplé se solárním zásobníkem a externím dohřevem
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Zapojeni (Obr. 17a) je možné použít pouze v případě, že se jedná o předehřev TV, kdy je denní odběr TV několikanásobně větší než objem solárního zásobníku, aby nedocházelo ke spínání dodatkového zdroje tepla i v případě, že je solární zásobník nahřátý na dostatečnou teplotu.

Pokud je denní odběr TV srovnatelný s objemem solárního zásobníku, je potřeba umožnit připojení cirkulace jak do solárního zásobníku, tak do dohřívacího zásobníku.

1.4.2 Kombinované solární soustavy

U kombinovaných solárních soustav pro přípravu TV a vytápění je ve většině případů pouze jeden zásobník. Připojení cirkulace potom závisí na možnostech použitého zásobníku

Obr. 18a,b,c,d - Zapojení cirkulace u kombinovaných solárních soustav
ke stažení ve formátu pro AutoCAD

Platí zde stejná zásada jako u soustav pro přípravu TV, tzn. nezapojovat cirkulační potrubí tak, aby ohřívalo větší objem zásobníku (Obr. 18d). Je to pouze nouzové řešení, pokud zásobník jiné řešení neumožňuje.

následující text předchozí text