Analýza přípravy teplé vody solární soustavou pro bytový dům
Ilustrační obrázek - THERMOSOLAR Žiar s.r.o.
Návrh solární soustavy pro přípravu teplé vody v bytovém domě je analyzován počítačovou simulací. Analýza ukazuje vlivy návrhu plochy solárních kolektorů, klimatických podmínek, zapojení cirkulačního okruhu a návrhu objemu solárního zásobníku na solární pokrytí a měrné tepelné zisky.
Úvod
Využití sluneční energie pro přípravu teplé vody v budovách je výhodné vzhledem k celoročně přibližně konstantní potřebě tepla na její ohřev. Solární ohřev vody lze v bytových domech snadno integrovat do stávající soustavy přípravy teplé vody jako předřazený stupeň (předehřev). Konvenční ohřívač vody pak slouží pro pohotovostní dohřev jako záložní zdroj. Solární soustavy pro přípravu teplé vody mají dobrou využitelnost, v současnosti jsou již relativně rozšířené, veřejností jsou vnímány jako smysluplné opatření a pro jejich realizaci jsou poskytovány státní dotace.
Aby byla instalace solární soustavy pro přípravu teplé vody efektivní, je nezbytné již při návrhu solární soustavy vyhodnotit reálné energetické přínosy. Solární tepelné zisky nejsou závislé pouze na kvalitě navržených prvků (kolektor, zásobník), ale také na návrhu plochy solárních kolektorů vzhledem k potřebě tepla, resp. na požadovaném solárním pokrytí, na tepelných ztrátách solární soustavy (potrubí kolektorového okruhu, solární zásobník) či na orientaci a sklonu solárních kolektorů. Řada výrobců i montážních firem v pochopitelné snaze zjednodušit projektování solární soustavy využívá při návrhu zkušenosti z praxe a směrné hodnoty. Následující analýza ukazuje vliv dimenzování hlavních prvků solární soustavy (solární kolektor, solární zásobník), které se v běžně používaných zjednodušených nástrojích pro hodnocení zisků solární soustavy [1] neuvažují, na energetické přínosy a solární pokrytí.
Solární soustava
Vliv návrhu prvků solární soustavy byl zkoumán na soustavě pro přípravu teplé vody v bytovém domě obývaném 100 osobami s průměrnou spotřebou teplé vody 40 l/(os.den) při teplotní úrovni 55 °C. Teplota studené vody byla celoročně uvažována konstantní 10 °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 73,2 MWh/rok. Pro bytový dům se uvažuje s časově řízenou cirkulací teplé vody během dne (viz Obr. 1). Celková roční potřeba tepla pro přípravu teplé vody je 107 MWh/rok, tzn. tepelné ztráty přípravy teplé vody činí cca 46 % z potřeby tepla na vlastní ohřev vody.
![Obr. 1 Profil odběru teplé vody pro bytový dům [2] a provoz časově řízené cirkulace teplé vody](/docu/clanky/0216/021656o1.png)
Obr. 1 Profil odběru teplé vody pro bytový dům [2] a provoz časově řízené cirkulace teplé vody
Pro solární soustavu byly navrženy ploché solární kolektory o ploše apertury 100 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 η0 = 0,75, a1 = 3,58 W/m2K a a2 = 0,017 W/m2K2. Koeficienty jsou vztaženy k ploše apertury solárního kolektoru. Schéma solární soustavy pro ohřev vody je uvedeno na Obr. 2. 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 42 °C / 32 °C. Objem solárního zásobníku byl navržen 5 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.
Simulační analýza byla provedena v prostředí TRNSYS s dostupnými modely prvků. Klimatické údaje použité pro simulaci 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 je 1118 kWh/m2.rok.
Obr. 2 Schéma solární soustavy pro přípravu teplé vody
Solární soustava podle uvedeného referenčního návrhu vykazuje roční solární pokrytí potřeby tepla na úrovni 43 % a měrné solární zisky 459 kWh/m2.rok. Solární pokrytí je definováno jako
(1)
[–]
kde je
- Qss,u
- využité solární zisky, úspora tepla pro ohřev vody [MWh/rok];
- Qp,c
- celková potřeba tepla pro přípravu teplé vody [MWh/rok].
Pro účely vyhodnocení v případě simulační analýzy, lze použít i jiný zápis, který uvažuje, že přínos solární soustavy Qss,u je rozdíl mezi potřebou tepla a dodávkou tepla záložním ohřívačem
(2)
[–]
kde Qzz [MWh/rok] je teplo dodané záložním zdrojem (dohřevem).
Solární pokrytí vyjadřuje poměrnou úsporu tepla dodávaného nahrazovaným zdrojem energie, z níž lze dále vyjádřit úsporu paliva, emisí CO2 či neobnovitelné primární energie, a je tedy do jisté míry ekologickým kritériem.
Měrné solární zisky se stanoví jako
(3)
[kWh/m2]
kde Ak [m2] je plocha apertury solárních kolektorů.
Z měrných zisků, stanovených takto jako energetický přínos z 1 m2 instalované plochy kolektorů, lze vyjádřit úsporu provozních nákladů z instalované plochy kolektorů, která má přímý vliv na výši investice. Měrné zisky lze proto považovat za ekonomické kritérium návrhu solární soustavy. Zároveň z měrných zisků je možné určit celkovou roční účinnost solární soustavy podle vztahu
(4)
[–]
kde HT [kWh/m2.rok] je úhrn dopadající sluneční energie na plochu kolektorů.
V návrhovém případě je účinnost solární soustavy na úrovni 41 %. Účinnost solární soustavy zohledňuje nejen ztráty v rozvodech kolektorového okruhu a ztráty solárního zásobníku, ale také využitelnost produkce tepla kolektory zejména v letním období. Na Obr. 3 je znázorněna měsíční bilance solární soustavy.
Obr. 3 Bilance referenčního návrhu solární soustavy
Obr. 4 Vliv návrhu plochy solárních kolektorů na roční provozní parametry
Obr. 5 Vliv návrhu plochy solárních kolektorů na roční průměrnou teplotu v solárním zásobníku
Obr. 4 ukazuje výsledek simulace dané solární soustavy s různým návrhovým poměrem plochy solárních kolektorů Ak [m2] k denní potřebě teplé vody VTV [m3] ve formě křivky solárního pokrytí a křivky měrných využitých zisků. Z grafu je patrná obecná zákonitost, že s instalovanou plochou kolektorů solární pokrytí roste, nicméně od určité hodnoty poměru (okolo 40 m2/m3) je nárůst již pozvolný. S rostoucím solárním pokrytím na druhé straně klesají měrné využité solární zisky solární soustavy, protože nárůst pokrytí tepla je doprovázen zvýšením průměrné provozní teploty v solárním zásobníku tzás [°C] (viz Obr. 5) a tedy i v kolektorech. To je příčinou nárůstu provozních tepelných ztrát a poklesu účinnosti solárních kolektorů. Zároveň se při vysokých hodnotách solárního pokrytí snižuje i využitelnost solárních zisků v letním období, kdy jsou četnější období stagnace bez odběru tepla z kolektorů z důvodu dosažení maximální teploty v solárním zásobníku. S rostoucím solárním pokrytím tedy klesají měrné zisky a jinými slovy lze konstatovat, že s rostoucím ekologickým přínosem se zhoršují ekonomické parametry solární soustavy.
Vliv klimatických podmínek
Při běžném navrhování a bilancování solárních soustav je možné se setkat s různými zdroji klimatických údajů. Lze předpokládat, že solární pokrytí a zisky budou výrazně závislé na dopadajícím slunečním záření, nicméně v rámci ČR se úhrn slunečního záření pro různé lokality příliš neliší. Pro referenční solární soustavu bylo proto provedeno porovnání v 5 různých lokalitách se známými hodinovými údaji typického meteorologického roku (Praha, Ostrava, Churáňov, Hradec Králové a Kuchařovice). Zdrojem klimatických údajů je databáze Meteonorm. Charakteristické klimatické prvky jako průměrná roční teplota te,r, úhrn dopadající sluneční energie na vodorovnou rovinu H [kWh/m2.rok] a 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 referenční solární soustavy v různých lokalitách, solární pokrytí potřeby tepla a roční účinnost soustavy. Je zřejmé, že účinnost solární soustavy se v rámci České republiky výrazně s klimatickými údaji nemění, především s ohledem na vysokou využitelnost tepla produkovaného solárními kolektory při hodnotě solárního pokrytí pod 50 %.
| Lokalita | te,r [°C] | H [kWh/m2] | HT [kWh/m2] | f [%] | qss,u [kWh/m2] | ɳss [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Praha | 7,9 | 998 | 1118 | 42,9 | 459 | 41,0 |
| Ostrava | 8,2 | 1038 | 1171 | 45,1 | 485 | 41,4 |
| Churáňov | 5,1 | 1074 | 1270 | 46,8 | 502 | 39,5 |
| Hradec Králové | 8,3 | 1078 | 1228 | 47,2 | 507 | 41,3 |
| Kuchařovice | 8,2 | 1107 | 1254 | 48,0 | 516 | 41,1 |
Vliv zapojení cirkulačního okruhu
Aby byla instalace solární soustavy pro přípravu teplé vody efektivní, je nutné omezit spotřebu teplé vody a tepla na její přípravu úspornými opatřeními, například omezením tepelných ztrát rozvodů teplé vody nebo omezením běhu cirkulace na nezbytně nutnou dobu, případně využití řízení cirkulace na základě teplotních čidel. Kromě toho pro zvýšení využití sluneční energie v přípravě teplé vody se doporučuje instalace trojcestného přepínacího ventilu 3PV do vratného potrubí cirkulace z objektu (viz Obr. 2), aby bylo možné tepelné ztráty cirkulací v případě dostatečné teploty v solárním zásobníku pokrýt solárními zisky. Pokud je v solárním zásobníku k dispozici dostatečná teplota pro ohřev, přepíná se do něj celý průtok cirkulace.
Pro danou solární soustavu bylo proto provedeno porovnání pro variantu s přepínáním cirkulace (s 3PV, viz referenční solární soustava) a bez přepínání (bez 3PV). V grafu na Obr. 6 jsou pro obě varianty uvedeny závislosti solárního pokrytí f [%] a ročních měrných využitých zisků qss,u [kWh/m2‧rok] na návrhovém poměru Ak / VTV.
Obr. 6 Vliv zapojení cirkulace do solárního zásobníku pro různé úrovně dimenzování solární soustavy
Z grafu na Obr. 6 je patrné, že instalace trojcestného ventilu pro přepínání cirkulace přispívá jak ke zvýšení měrných využitých solárních zisků, tak i ke zvýšení solárního pokrytí. Důvodem je vyšší využitelnost solárních zisků (obzvlášť v létě), kdy v případě dostatečné teploty v solárním zásobníku solární soustava s přepínáním kryje i tepelné ztráty cirkulací teplé vody. Druhým závěrem patrným z grafu na Obr. 6 je, že čím je vyšší návrhový poměr plochy solárních kolektorů, tím vyšší je průměrná teplota v solárním zásobníku (viz. Obr. 5), tím častěji je cirkulace teplé vody přepínána do solárního zásobníku a tím je výraznější rozdíl v přínosu mezi systémem s přepínáním cirkulace a bez přepínání.
Vliv objemu solárního zásobníku
Návrh objemu solárního zásobníku pro solární soustavu závisí na řadě faktorů, především na konkrétní aplikaci a požadovaném solárním pokrytí, dále na velikosti kolektorové plochy, maximální dovolené teplotě v zásobníku, případně i odběrovém profilu. Pro praxi se pro návrh objemu solárního zásobníku uvádí zjednodušeně návrhový poměr 50 l/m2 plochy apertury instalovaných solárních kolektorů [3]. Otázkou je, zda pro solární soustavu pro ohřev vody v bytovém domě s návrhovým pokrytím zpravidla nepřesahujícím 50 % nelze počítat i s menším objemem solárního zásobníku.
Obr. 7 Vliv objemu solárního zásobníku na solární pokrytí a na měrné zisky soustavy pro přípravu teplé vody
Byla provedena simulační analýza solárního pokrytí a měrných zisků pro různé návrhové poměry Ak / VTV [m2/m3] pro solární soustavu při různém navrženém objemu solárního zásobníku Vzás. Výsledky jsou uvedeny v grafech na Obr. 7. Z grafu je patrné, že s rostoucím objemem solárního zásobníku, vyjádřeném v poměru k ploše apertury kolektorů roste i solární pokrytí a měrné zisky solární soustavy. Pro nízké návrhové poměry Ak / VTV okolo 10 m2/m3 v solárních soustavách pro předehřev vody je křivka solárního pokrytí v závislosti na objemu solárního zásobníku relativně plochá a optimální objem solárního zásobníku je nízký na úrovni 40 l/m2. Naopak, pro předimenzované soustavy s pokrytím přesahujícím 50 % při návrhovém poměru okolo 40 m2/m3 je optimálním objemem až hodnota okolo 60 l/m2. Nad hodnotou optimálního objemu již nedochází k výraznému nárůstu solárního pokrytí a je tedy zbytečné navyšovat investici. Z grafů je také patrné, že pro běžné dimenzování solárních soustav je nevhodné navrhovat solární zásobníky s objemem pod 30 l na 1 m2 plochy apertury solárních kolektorů, neboť dochází k výraznému poklesu solárního pokrytí a měrných solárních zisků.
Závěr
Ze simulační analýzy solární soustavy pro ohřev vody v bytovém domě vyplynulo několik důležitých závěrů, které v podstatě potvrzují dobrou návrhovou praxi, případně ji rozšiřují pro případy, se kterými se při dimenzování lze také setkat:
- Solární soustavy s nízkým solárním pokrytím vedou k vysoké účinnosti na úrovni až 60 %, zatímco předimenzované soustavy mají účinnost nízkou na úrovni 30 % vlivem vysokých tepelných ztrát a nízké využitelnosti produkce tepla kolektory v letním období. Typická účinnost solární soustavy pro ohřev vody s návrhovým poměrem 25 m2 kolektorů na 1 m3 připravované teplé vody je okolo 40 %.
- S rostoucí navrženou plochou solárních kolektorů roste solární pokrytí, nicméně od typického návrhového poměru Ak / VTV okolo 25 m2/m3 se narůst již zpomaluje. Zvýšením návrhové plochy kolektorů o polovinu nad tuto hodnotu se solární pokrytí zvýší pouze o 10 %. Na druhé straně s takto zvýšenou plochou kolektorů výrazně klesají měrné tepelné zisky solární soustavy až k hodnotě okolo 350 kWh/m2rok, běžně uznávané za hranici efektivní instalace.
- Z analýzy vlivu klimatických údajů lze vyvodit, že v rámci České republiky jsou klimatické podmínky v různých oblastech srovnatelné a výpočty vedou k podobným hodnotám účinnosti solární soustavy pro dané dimenzování.
- Pro vyšší využití sluneční energie v přípravě teplé vody krytím i tepelných ztrát cirkulace vody je vhodná instalace třícestného přepínacího ventilu do vratného potrubí cirkulace z objektu. Zatímco pro solární systém s návrhovým poměrem 25 m2/m3 takové zapojení umožnuje zvýšit solární pokrytí pouze o 2 % (v porovnání se solární soustavou bez přepínání cirkulace), v případě solárních soustav s vysokým návrhovým poměrem Ak / VTV je možné zvýšit hodnotu solárního pokrytí až o 8 %.
- Simulační analýzou bylo potvrzeno, že optimální hodnota objemu solárního zásobníku pro typický návrhový poměr 25 m2/m3 se pohybuje okolo 50 l/m2. Nicméně, pro solární soustavy s nízkým návrhovým poměrem lze objem solárního zásobníku snížit na úroveň 40 l/m2 kolektorové plochy, naopak pro předimenzované solární soustavy je zapotřebí objem solárního zásobníku vyšší až na úrovni 60 l/m2. Nižší hodnoty objemu zásobníku než uvedené optimální hodnoty v daných případech způsobují výrazné snížení solárního pokrytí, vyšší hodnoty naopak již nepřinášejí zvýšení solárního pokrytí.
Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.
Použité zdroje
- TNI 73 0302. Energetické hodnocení solárních tepelných soustav – Zjednodušený výpočtový postup. Praha: ÚNMZ, 2014.
- ČSN EN 12831-3. Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 3: Tepelný výkon pro soustavy teplé vody a charakteristika potřeb, Modul M8-2, M8-3. Praha: ÚNMZ, 2018.
- MATUŠKA T.: Solární zařízení v příkladech. GRADA Publishing, Praha 2012.
The design of a solar system for the preparation of hot water in an apartment building is analyzed by computer simulation. The analysis shows the effects of the design of the area of solar collectors, climatic conditions, the connection of the circulation circuit and the design of the volume of the solar storage tank on the solar coverage and specific heat gains.