Energetická bilance solární soustavy při nestandardní orientaci solárního kolektoru s ohledem na velikost zásobníku tepla

1. Úvod

Česká republika se zákonem č. 406/2000 Sb. [1] zavázala k dosažení cílů uvedených ve směrnici 2010/31/EU [2]. Jedná se o snížení skleníkových plynů alespoň o 20 %, snížení potřeby energie o 20 % a využití energie obnovitelných zdrojů ve výši 20 %. V rámci této energetické politiky je podporována mimo jiné i instalace solárních soustav pro vytápění a přípravu TV. Pro základní energetickou bilanci těchto solárních soustav je možné použít TNI 73 0302 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav – Zjednodušený výpočtový postup [3]. V České republice se solárními soustavami zabývá např. Cihelka [4] a nově Matuška [5, 6]. V zahraniční literatuře je věnována pozornost solárním soustavám již delší dobu. Objevují se zde kvalitní, hojně citované práce, které např. hodnotí využití solárních soustav pro účely chlazení [7], nebo třeba vývoj nového typu solárního kolektoru [8].

Zelená úsporám je program vytvořený Ministerstvem životního prostředí pod záštitou Státního fondu životního prostředí [9]. Prostřednictvím programu mohou zájemci o pořízení solární soustavy zažádat o státní dotaci. Žádost musí být podložena roční energetickou bilancí dané soustavy. Norma TNI 73 0302 nabízí zjednodušený výpočtový postup stanovení energetické bilance, pro solární kolektory s orientací 0° až ±45° od jihu. V případě azimutového úhlu od jihu většího než 45°, je potřeba podložit energetickou bilanci simulací. Jedním z vhodných simulačních nástrojů je program Transient System Simulation (TRNSYS) [10]. Článek se zabývá hodnocením solární soustavy s azimutovým úhlem větším než 45°. Výpočet byl proveden pro různé objemy solárního zásobníku, s cílem prokázání vlivu velikosti zásobníku na účinnost solární soustavy.

2. Metody a materiály

Energetická bilance solární soustavy s azimutovým úhlem 90° od jihu směrem na západ byla vyhodnocena pomocí simulačního nástroje Transient System Simulation. Jednotlivým komponentům byly zadány reálné parametry podle podkladů výrobců. Pro simulaci byla zvolena klimatická data naměřená v oblasti Kuchařovice, okres Znojmo. Klimatická data jsou průměrem naměřeným za deset let.

2.1. Popis solární soustavy

Solární soustava je nainstalována na střeše rodinného domu, jež se nachází na území Moravy. Skládá se ze dvou plochých kapalinových kolektorů sériově zapojených a solárního zásobníku. Solární kolektory jsou instalovány s orientací 90° (západ) ve sklonu 30°. Jednotlivé parametry soustavy jsou uvedeny v tabulce 1.

Vzhledem k úhlu orientace ke světovým stranám 90° byla pro účely vyhodnocení energetické bilance provedena simulace.

2.2. Zjednodušený model soustavy

Obr. 1. Model zjednodušené solární soustavy

Zjednodušený model solární soustavy byl vytvořen v simulačním nástroji TRNSYS. Použity byly vybrané komponenty, jež jsou součástí programu. Jednotlivým komponentům byly zadány reálné parametry uvedeny výrobci (tabulka 1). Vstupní a výstupní údaje jsou zadány formou čárového propojení s udáním směru toku dat.

Pro model byl zvolen zjednodušený odběr vody. Ranní odběr v časovém úseku od 6 do 8 hodin v množství 35 l/h, polední v době od 11 do 13 hodin v množství 30 l/h a večerní odběr 35 l/h od 18 do 20 hodin.

Obr. 2. Průběh solárních zisků a teploty na výstupu z kolektorů v průběhu roku

Graf na obrázku 2 vyobrazuje solární zisky ve Wh (modrá křivka) a teplotu kapaliny na výstupu ze solárního kolektoru v °C (červená křivka) pro soustavu se solárním zásobníkem tepla o objemu 290 l.

3. Vyhodnocení energetické bilance

Obr. 3. Energetická bilance solární soustavy v průběhu roku pro varianty objemu zásobníku s uvažováním tepelných ztrát pláště zásobníku

Obr. 4. Energetická bilance solární soustavy v průběhu roku pro varianty objemu zásobníku – tepelné solární zisky a tepelné ztráty pláštěm zásobníku

Simulace modelu byla provedena pro varianty o objemech zásobníku 150 l, 200 l, 290 l a 500 l. Zvoleny byly pro účely vyhodnocení energetické bilance klimatická data desetiletého průměru z oblasti Kuchařovice. Výsledné zisky jednotlivých měsíců jsou součtem zisků všech dnů daného měsíce (tabulka 2). Největších zisků bylo dosaženo v měsíci červenec. V měsících listopad až únor byly zisky nulové.

Grafické zobrazení energetické bilance solární soustavy pro jednotlivé varianty objemu zásobníku je na obrázku 3. Výsledná bilance je součtem tepelných solárních zisků soustavy a tepelných ztrát pláště zásobníků. Rozdíly tepelných zisků všech variant jsou pro jednotlivé měsíce minimální, přesto však existují. Obrázek 4 zobrazuje energetickou bilanci před a po odečtení tepelných ztrát, maximálně projevené až v měsících květen–srpen, kdy byly dosaženy znatelně rozdílné tepelné zisky mezi jednotlivými variantami objemu zásobníku. V případě, kdy nebyly tepelné ztráty uvažovány, dosahovala soustava se zásobníkem o objemu 500 l nejvyšších solárních zisků, zatímco zásobník o objemu 150 l dosáhl v letních měsících nejmenších zisků z důvodu menšího akumulačního objemu. V přelomových měsících byl mezi zvolenými zásobníky tepla největší rozdíl tepelných zisků 10,2 kWh. V červenci byl největší rozdíl 60,4 kWh.

Tabulka 3 nabízí stručné srovnání pořizovacích cen a rozměrů zásobníků daných objemů pro doplnění představy o ekonomické stránce velikosti zásobníku.

4. Závěr

Energetická bilance solární soustavy s azimutovým úhlem solárních kolektorů 90° od jihu směrem na západ, byla provedena za účelem porovnání čtyř variant objemu solárního zásobníku. Provedené simulace poukázaly, že tepelné zisky bez uvažování tepelných ztrát pláštěm zásobníku, dosáhly v přelomových měsících téměř stejné hodnoty pro všechny čtyři varianty a znatelné rozdíly jsou vidět až v případě letních měsíců. Soustava se zásobníkem o objemu 150 l dosáhla větší zisky v přelomových měsících – březen a říjen, než ostatní varianty. Důvodem je menší akumulační objem zásobníku a současně rychlejší doba ohřevu a odběru tepla ze zásobníku. V případě ostatních měsíců, s výjimkou měsíců listopad až únor, dosáhl nejlepší energetické bilance zásobník o objemu 500 l s ročními solárními zisky 3991,2 kWh. Tyto hodnoty jsou teoretické a nekorelují zcela s realitou.

V případě energetické bilance uvažující tepelné ztráty pláštěm zásobníku, jsou rozdíly mezi jednotlivými variantami jiné než v předchozím případě. Při výpočtu s uvažováním tepelných ztrát zásobníků se blížíme realitě podstatně více, než v případě neuvažování tepelných ztrát zásobníků. Největších tepelných ztrát v tomto případě bylo dosaženo u zásobníku o objemu 500 l, kdy po jejich odečtení poklesla výsledná hodnota tepelných zisků o 133,7 kWh. V rámci porovnání zvolených variant solární soustavy, vychází nejvhodnější variantou z energetického hlediska, soustava se zásobníkem o objemu 290 l. Při návrhu solární soustavy je nutné vždy pečlivě zvážit, jaký bude objem zásobníku ohřáté vody. Jedno hledisko návrhu je ochrana soustavy proti přehřívání, které hrozí u soustav s malým zásobníkem oproti ploše kolektorů. Druhým aspektem návrhu je skutečnost prokázána článkem, že zbytečně velký objem zásobníku jednak prodražuje investiční náklady, ale v konečném důsledku vede k nižší efektivitě soustavy vlivem vyšších tepelných ztrát zásobníku.

Poděkování

Tento článek vyšel za podpory projektu č. LO1408 „AdmaS UP – Advanced Materials, Structures and Technologies“ z Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR – Národní program udržitelnosti I. a projektu Specifický výzkum VUT Brno FAST-S-17-4054 Analýza účinnosti, metodika řízení a energetická náročnost systémů techniky prostředí.

Literatura

1. Zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření s energií, ve znění pozdějších předpisů, 2000.
2. Směrnice Evropského parlamentu a rady 2010/31/EU, kterým se mění směrnice 2002/91/ES o energetické náročnosti budov, 2010.
3. TNI 73 0302. Energetické hodnocení solárních tepelných soustav – Zjednodušený výpočtový postup, 2014.
4. CIHELKA, J. Sluneční vytápěcí systémy, SNTL, Praha 1984.
5. MATUŠKA, T. Solární zásobníky. Dostupné na: http://oze.tzb-info.cz/solarni-kolektory/solarni-zasobniky.
6. MATUŠKA, T. Alternativní zdroje energie. Praha 2010.
7. Syed, A., Izquierdo, M., Rodríguez, P., Maidment, G., Missenden, J., Lecuona, A., Tozer, R. A novel experimental investigation of solar cooling system in Madrid. International journal of Refrigeration, Volume 28, Issue 6, 859–871, 2005. DOI: 10.1016/j.ijrefrig.2005.01.007.
8. Azad, E. Theoretical and experimental investigation of heat pipe solar collector. Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 32, Issue 8, 1666–1672, 2008. DOI: 10.1016/ j.expthermflusci.2008.05.011.
9. Internetový portál: http://www.novazelenausporam.cz/.
10. Internetový portál: http://www.trnsys.com/.