Vliv klimatických podmínek na zisky solárních soustav pro přípravu teplé vody
© Fotolia.com
Příspěvek se zabývá simulační analýzou solárního systému pro přípravu teplé vody pro bytový dům. Analýza ukazuje vliv klimatických podmínek na zisky solární soustavy. Cílem je ověřit, zda je možné v klimatických podmínkách ČR zaručit úroveň solárních zisků. V diskusích nad snahami zaručit se za přínos navržené a nainstalované solární soustavy se naskýtá další otázka, jak se meziročně mění úhrny slunečního záření a jestli lze jejich meziroční kolísání jednoduše přenést i na zisk solární soustavy.
Úvod
Solární tepelné soustavy v současné době představují relativně náročné investiční opatření pro snížení energetické náročnosti budov s návratností v optimálních případech okolo 10 až 15 let bez využití dotací. Vysoké náklady, a navíc mezi veřejností stále ještě rozšířené vnímání solárních soustav jako ne zcela zavedené technologie mohou odradit případné zájemce. Ve snaze překonat nedůvěru potenciálního investora a poskytnout mu přidanou hodnotu se na trhu solární tepelné techniky občas objevuje systém garance solárních zisků. Takový smluvní nástroj má za cíl zainteresovat dodavatele solární soustavy na kvalitě návrhu, realizace a provozu, zajistit vhodné ekonomické parametry a posílit záruky dosažení úspor [1].
Na druhou stranu projekční řešení a následné energetické zhodnocení vyprojektované solární tepelné soustavy vychází z definovaných klimatických údajů, často výsledků statistického zpracování ve formě „typických“ klimatických údajů o dopadající sluneční energii a venkovní teplotě v dané oblasti. Nicméně, při reálném provozu solární soustavy se jednotlivé roky od sebe mohou svým klimatickým charakterem lišit, mluví se o suchém roku, deštivém roku, chladném roku.
Cílem tohoto článku je tedy odpovědět na otázku, zda lze „garantovat“ určitou stabilní úroveň zisků solární soustavy. Další otázkou je, jak meziroční kolísaní úhrnů slunečního záření ovlivňuje měrné zisky a především účinnost solární soustavy.
Solární soustava
Vliv klimatických podmínek byl zkoumán na solární soustavě pro přípravu teplé vody v konkrétním bytovém domě obývaném 91 osobami s průměrnou spotřebou teplé vody na úrovni 40 l/(os‧den). Teplota studené vody byla celoročně uvažována konstantní 10 °C a požadovaná teplota do rozvodu 55 °C. Odběr teplé vody byl uvažován s profilem charakteristickým pro bytový dům [2] a letním poklesem odběru o 25 % oproti průměru. Potřeba tepla na vlastní ohřev vody (bez ztrát rozvodů teplé vody) je 67,6 MWh/rok. Celková roční potřeba tepla pro přípravu teplé vody je 119 MWh/rok, tzn. tepelné ztráty při přípravě teplé vody činí cca 76 % z potřeby tepla na vlastní ohřev vody.
Pro solární soustavu byly navrženy ploché solární kolektory o hrubé ploše 91 m2 se sklonem 45° a orientací k jihu. To odpovídá běžnému návrhovému poměru 25 m2/m3 připravované teplé vody. Byla uvažována průměrná kvalita solárních kolektorů, křivka účinnosti je dána koeficienty ɳ0 = 0,73, a1 = 3 W/m2K a a2 = 0,014 W/m2K2. Koeficienty jsou vztaženy ke hrubé ploše solárního kolektoru. Schéma solární soustavy pro ohřev vody je uvedeno na Obr. 1. Kolektorový okruh má celkovou délku potrubí 100 m, z toho polovina je vedena uvnitř budovy. Vnitřní průměr hlavního potrubí je 20 mm (Cu 22×1 mm). Potrubí je opatřeno tepelnou izolací tloušťky 25 mm. Pro předání tepla z kolektorového okruhu do solárního zásobníku je použit deskový výměník tepla s návrhovou účinností sdílení tepla 80 % pro průtok v kolektorovém okruhu 1000 l/h a při teplotním spádu 42 °C / 32 °C. Objem solárního zásobníku byl navržen 4,55 m3, což odpovídá běžnému návrhovém poměru 50 l/m2 plochy solárních kolektorů. 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. Kormě toho je na patě cirkulace instalován trojcestný přepínací ventil 3PV, který umožňuje v případě dostatečné teploty v solárním zásobníku přepnout cirkulační okruh pro dohřev solárním teplem.
Obr. 1 Schéma solární soustavy pro přípravu teplé vody
Pro účely vyhodnocení výsledků simulací je použita hodnota měrných využitelných solárních zisků soustavy qss,u v kWh/m2‧rok, tzn. celkové roční zisky Qss,u [kWh] vztažené k instalované hrubé ploše solárních kolektorů Ak [m2] podle vztahu:
(1)
[kWh/m2]
Z měrných tepelných zisků je možné určit celkovou roční účinnost solární soustavy podle vztahu
(2)
[–]
kde HT [kWh/m2.rok] je úhrn dopadající sluneční energie na plochu kolektorů.
Kolísání klimatických podmínek v ČR
Při běžném navrhování a bilancování solárních soustav je možné se setkat s různými zdroji klimatických údajů. Lze předpokládat, že solární zisky budou výrazně závislé na dopadajícím slunečním záření, nicméně v rámci ČR se úhrn slunečního záření pro různé lokality příliš neliší. Pro uvažovanou solární soustavu bylo proto provedeno porovnání přínosů pro 14 lokalit (krajská města) se známými hodinovými údaji tzv. referenčního klimatického roku (RKR). Charakteristické klimatické prvky jako průměrná roční teplota te,r [°C], roční úhrn dopadající sluneční energie na vodorovnou rovinu H [kWh/m2‧rok] a roční úhrn sluneční energie dopadající na rovinu solárních kolektorů HT [kWh/m2‧rok] jsou uvedeny v Tab. 1. Zároveň jsou v Tab. 1 porovnány roční využité zisky solární soustavy a roční účinnost soustavy pro dané lokality.
| Lokalita | te,r [°C] | H [kWh/m2] | HT [kWh/m2] | qss,u [kWh/m2] | ɳss [%] |
|---|---|---|---|---|---|
| Brno | 9,7 | 1172 | 1361 | 613 | 45,1 |
| České Budějovice | 8,6 | 1115 | 1301 | 572 | 43,9 |
| Hradec Králové | 9,9 | 1127 | 1339 | 603 | 45,0 |
| Jihlava | 7,5 | 1096 | 1268 | 555 | 43,8 |
| Karlovy Vary | 8,1 | 1055 | 1227 | 553 | 43,5 |
| Kladno | 8,5 | 1106 | 1305 | 582 | 44,6 |
| Liberec | 8,8 | 1025 | 1177 | 518 | 44,0 |
| Olomouc | 9,8 | 1176 | 1374 | 620 | 45,1 |
| Ostrava | 9,2 | 1067 | 1222 | 552 | 45,2 |
| Pardubice | 10,0 | 1128 | 1337 | 575 | 45,0 |
| Plzeň | 8,9 | 1117 | 1294 | 571 | 44,1 |
| Praha | 10,4 | 1057 | 1215 | 546 | 45,0 |
| Ústi nad Labem | 9,7 | 991 | 1115 | 495 | 44,4 |
| Zlín | 8,8 | 1058 | 1201 | 539 | 44,9 |
Z porovnání je patrné, že v rámci České republiky se kolísání úhrnu slunečního záření na šikmou plochu (sklon 45°, azimut jih) pohybuje v rozmezí cca ±12 %. Tomu poměrově odpovídá i kolísání zisků solární soustavy do cca 12 % od průměru. Měrné zisky pohybují od 495 do 620 kWh/(m2‧rok). Na druhou stranu je zřejmé, že roční účinnost dané solární soustavy se v rámci České republiky výrazně s klimatickými údaji nemění a je tedy relativně stabilním parametrem s lépe vypovídající schopností než měrný zisk solární soustavy.
Na Obr. 2 je uvedena souvislost mezi měrnými ročními zisky solární soustavy qss,u a roční dávkou slunečního ozáření HT. Směrnice přímky proložené body z jednotlivých lokalit v rámci České republiky je roční účinnost solární soustavy, která se rovná 45 %. Tato hodnota účinnosti pak může sloužit pro predikci ročních zisků solární soustavy na základě roční dopadající sluneční energie, ovšem za podmínky meziročně neměnného odběru teplé vody.
Obr. 2 Souvislost mezi zisky solární soustavy a úhrnem sluneční energie pro uvažované lokality v České republice
Proměnlivost klimatických podmínek v jednotlivých letech
Pro analýzu vlivu kolísání klimatických podmínek na využité zisky solární soustavy byly použity hodinové klimatické údaje pro Prahu z let 2007 až 2016 (PVGIS), referenční klimatický rok (RKR, ČHMÚ) a TMY (Meteonorm). Výsledky pro jednotlivé roky a klimatické databáze jsou uvedeny v Tab. 2.
| Údaje | te,r [°C] | H [kWh/m2] | HT [kWh/m2] | qss,u [kWh/m2] | ɳss [%] |
|---|---|---|---|---|---|
| 2007 (PVGIS) | 10,4 | 1091 | 1229 | 543 | 44,2 |
| 2008 (PVGIS) | 10,1 | 1062 | 1199 | 529 | 44,1 |
| 2009 (PVGIS) | 9,8 | 1061 | 1194 | 524 | 43,9 |
| 2010 (PVGIS) | 8,5 | 1070 | 1200 | 517 | 43,1 |
| 2011 (PVGIS) | 10,0 | 1157 | 1339 | 587 | 43,8 |
| 2012 (PVGIS) | 9,7 | 1152 | 1321 | 576 | 43,6 |
| 2013 (PVGIS) | 9,4 | 1047 | 1166 | 505 | 43,3 |
| 2014 (PVGIS) | 10,8 | 1076 | 1219 | 547 | 44,8 |
| 2015 (PVGIS) | 10,9 | 1127 | 1297 | 578 | 44,6 |
| 2016 (PVGIS) | 10,1 | 1089 | 1233 | 546 | 44,3 |
| RKR (ČHMÚ) | 10,4 | 1057 | 1215 | 546 | 45,0 |
| TMY (Meteonorm) | 7,9 | 998 | 1114 | 485 | 43,5 |
Z Tab. 2 je patrné, že meziroční kolísání zisků solární soustavy vlivem proměnlivosti klimatických podmínek se pohybuje v rozmezí ±10 %. Měrné zisky pohybují od 485 do 587 kWh/(m2‧rok). Z výsledků však vyplývá zajímavý závěr ohledně použití statistických klimatických roků. Klimatické údaje typického meteorologického roku (TMY, Meteonorm) běžně používané v simulačních softwarech poskytují konzervativní hodnotu přínosů solární soustavy na úrovni 485 kWh/(m2‧rok). Naopak přínosy solární soustavy stanovené pro údaje z RKR (ČHMÚ), zpracované podle údajů z posledního desetiletí vykazují hodnotu 546 kWh/(m2‧rok). Relativně vysoká hodnota solárních zisků vyplývá především z vysoké hodnoty roční dávky slunečního ozáření na kolektorovou plochu.
Na Obr. 3 je pak uvedena souvislost mezi měrnými ročními zisky solární soustavy qss,u a roční dávkou slunečního ozáření HT. Roční účinnost solární soustavy jako směrnice přímky proložené body z jednotlivých let je 44 %. Stejně jako v případě kolísání klimatických podmínek v rámci ČR, účinnost solární soustavy zůstává relativní stabilním parametrem i v případě kolísání klimatických podmínek v rámci jednotlivých let.
Obr. 3 Souvislost mezi zisky solární soustavy a úhrnem sluneční energie pro jednotlivé roky
Závěr
Ze simulační analýzy vlivu klimatických podmínek na zisky solární soustavy pro ohřev vody v bytovém domě vyplynulo několik důležitých závěrů. Klimatické podmínky v různých oblastech České republiky jsou z pohledu bilancování solárních soustav srovnatelné. Klimatické podmínky se meziročně také příliš nemění. Sluneční záření se mezi krajskými městy a mezi jednotlivými roky liší v rozmezí ±12 %. Zatímco starší soubory klimatických údajů vykazují nižší úhrny slunečního záření, soubory z posledního desetiletí mají úhrny slunečního záření až o cca 10 % vyšší (např. RKR). Pro účely poskytování garance energetických přínosů je proto vhodné používat konzervativní klimatické údaje (TMY, Meteonorm).
Výpočty navíc vedou k velice podobným hodnotám roční účinnosti solární soustavy pro dané dimenzování bez ohledu na klimatické podmínky. Pro bilancování solárních soustav v ČR lze tedy použít jednotnou klimatickou databázi a pro predikci zisků solární soustavy lze pro dané dimenzování (odběr tepla) spolehlivě použít jedinou hodnotu roční účinnosti. V případě uvažované solární soustavy je to hodnota 45 %.
Poděkování
Tento článek byl vytvořen se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci Programu Národní centra kompetence I.
Literatura
- MATUŠKA T. Solární zařízení v příkladech. Grada, 2013.
- 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.
The paper deals with simulation analysis of solar system for domestic hot water preparation for apartment building. The analysis shows the influence of climatic conditions on solar system gains. The aim is to verify whether the level of solar gains can be guaranteed in the Czech Republic's climatic conditions. In discussions over the efforts to guarantee the benefits of a designed and installed solar system, another question arises as to how the total solar radiation changes year-on-year and whether its annual fluctuations can be simply passed on to the solar system's profit.