Přímé využití sluneční energie – systémy využívající fototermální kapalinové kolektory III.
V práci jsou uvedena některá základní zapojení solárních soustav pro jednotlivé spotřebiče tepla (teplá voda, vytápění, bazén) a zjednodušený návrh potřebné plochy. U každého schématu je stručně popsána jeho funkce. V závěru jsou naznačeny možné varianty napojení akumulačních nádob podle možností a požadavků na provoz solární soustavy.
Provedení některých solárních soustav pro využití sluneční energie
Třetí okračování první a druhé části článku
2.5 B3. Solární soustava pro celoroční přípravu TV a přitápění domu v přechodném období (varianta 1)
| Přitápění domu | Potřebná plocha kolektorů (m2/(kWh/d)) |
Akumulační zásobník (l/(kWh/d)) |
||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| (1) | (2) | (3) | (1) | (2) | (3) | |
| duben až září | 0.50 | 0,40 | 0.35 | 15 | 25 | 30 |
Dimenzování zásobníku TV jako u B1
Obr. 2.7 Solární soustava s pro přípravu TV a přitápění v samostatných akumulačních nádobách
Technický popis
Plocha solárních kolektorů je dimenzovaná pro přípravu TV a pro přitápění. Přepínání mezi spotřebiči (TV/přitápění) je zajištěno sepnutím příslušného oběhového čerpadla. Popis zapojení primárního okruhu je shodný se schématem B1a. Příprava TV je oddělena od přípravy topné vody (2 akumulační zásobníky).
Možnosti využití:
Zapojení je využitelné jako dočasné řešení, tedy pouze tam, kde se výhledově počítá s dalším využitím energie z kolektorového pole v letních měsících tak, aby nedocházelo k přehřívání solárního systému (viz B5). Letní přehřívání bez využití energie je závadou především z ekonomického hlediska, jsou však také tepelně namáhány veškeré součásti solární soustavy a může tak docházet ke zkrácení životnosti některých součástí.
Zapojení dodatkového zdroje tepla je vhodné pro všechny typy kotlů, které pracují do akumulace (setrvačnost paliva) nabíjené na vysokou teplotu.
Požadavky na instalaci:
Toto zapojení je vhodné pro nízkoteplotní otopnou soustavu (např. 45/35 °C). Energeticky výhodnější je potom v přechodovém období ohřívat topnou vodu na 30-40 °C než teplou vodu na 55 °C. Tím je dosaženo vyšší účinnosti solárního soustavy. Přípravu TV potom zajišťuje dodatkový zdroj.
2.6 B4. Solární s pro celoroční přípravu TV a přitápění domu v přechodném období (varianta 2 - kombi systém)
Dimenzování velikosti kolektorového pole jako u B3
Dimenzování akumulačního zásobníku jako přitápění (B3)
Obr. 2.8 Solární soustava s pro přípravu TV a přitápění s centrální akumulační nádobou (kombi systém)
Technický popis
Plocha solárních kolektorů je dimenzovaná pro přípravu TV a pro přitápění. Charakteristický pro kombi systémy je společný akumulační zásobník pro průtočnou přípravu TV a topnou vodu. V dnešní době je na českém trhu několik výrobců dodávající tyto speciální akumulační nádoby speciálně vyvinuté pro použití v solárních soustavách. Popis zapojení primárního okruhu je shodný se schématem B1a.
Možnosti využití:
Zapojení je využitelné jako dočasné řešení, tedy pouze tam, kde se výhledově počítá s dalším využitím energie z kolektorového pole v letních měsících tak, aby nedocházelo k přehřívání solárního systému (viz B6). Letní přehřívání bez využití energie je závadou především z ekonomického hlediska, jsou však také tepelně namáhány veškeré součásti solární soustavy a může tak docházet ke zkrácení životnosti některých součástí.
Zapojení dodatkového zdroje tepla je vhodné pro všechny typy kotlů, které pracují do akumulace (setrvačnost paliva) nabíjené na vysokou teplotu.
Možnost napojení na otopnou soustavu s vyšším teplotním spádem.
Požadavky na instalaci:
Způsob přípravy TV je vhodný pouze u systémů s vysokou výstupní kotlovou teplotou (nad 70 °C) vzhledem k dostatečnému teplotnímu rozdílu na trubkovém výměníku. Tomu vyhovují zejména kotle na spalování biomasy.
Výhodné je použití solárního systému typu low-flow s vyšším teplotním spádem. Je vhodné mírně zvýšit sklon kolektorů na 60° až 70°.
2.7 B5. Solární soustava pro celoroční přípravu TV, přitápění domu a ohřev bazénu v přechodném období (varianta 1)
Dimenzování velikosti kolektorového pole jako u B3
Dimenzování akumulačního zásobníku jako u B3
Dimenzování zásobníku TV jako u B1
Obr. 2.9 Solární soustava pro celoroční přípravu TV, přitápění domu a ohřev bazénu v přechodném období
Technický popis
Plocha solárních kolektorů je dimenzovaná pro přípravu TV a pro přitápění. Přepínání mezi spotřebiči (TV/přitápění/bazén) je zajištěno sepnutím příslušného oběhového čerpadla. Popis zapojení primárního okruhu je shodný se schématem B1a.
Možnosti využití:
Obecně budovy se spotřebičem tepla provozovaným v přechodném a letním období (nejčastěji bazén, sušička plodin nebo dřeva, vyrovnávání teplotních výkyvů noc-den ve sklenících, apod.). Velmi vhodné je provozovat v letním období sušárnu palivového dřeva. Sušením získáme jakostní palivové dřevo bez významného podílu vlhkosti (vyšší výhřevnost, nižší zplodiny ze spalování, delší životnost kotle).
Budovy s nízkou spotřebou tepla a pasivním využitím sluneční energie. Uvolňování akumulované sluneční energie v podobě tepla (topné vody) s časovým zpožděním za přímými slunečními zisky (temperování budovy v noci).
Požadavky na instalaci:
Toto zapojení je vhodné pro nízkoteplotní otopnou soustavu (např. 45/35 °C). Energeticky výhodnější je potom v přechodovém období ohřívat topnou vodu na 30-40 °C než teplou vodu na 55 °C. Tím je dosaženo vyšší účinnosti solárního soustavy. Přípravu TV potom zajišťuje dodatkový zdroj.
Další požadavky podle uvažovaného spotřebiče letních přebytků.
2.8 B6. Solární soustava pro celoroční přípravu TV, přitápění domu a ohřev bazénu v přechodném období (varianta 2)
Dimenzování velikosti kolektorového pole jako u B3
Dimenzování akumulačního zásobníku jako přitápění (B3)
Obr. 2.10 Solární soustava pro celoroční přípravu TV, přitápění domu a ohřev bazénu v přechodném období (kombi systém)
Technický popis
Plocha solárních kolektorů je dimenzovaná pro přípravu TV a pro přitápění. Přepínání mezi spotřebiči (TV a přitápění/bazén) je zajištěno sepnutím příslušného oběhového čerpadla. Popis zapojení primárního okruhu je shodný se schématem B1a.
Možnosti využití:
Obecně budovy se spotřebičem tepla provozovaným v přechodném a letním období (nejčastěji bazén, sušička plodin nebo dřeva, vyrovnávání teplotních výkyvů noc-den ve sklenících, apod.). Velmi vhodné je provozovat v letním období sušárnu palivového dřeva. Sušením získáme jakostní palivové dřevo bez významného podílu vlhkosti (vyšší výhřevnost, nižší zplodiny ze spalování, delší životnost kotle).
Budovy s nízkou spotřebou tepla a pasivním využitím sluneční energie. Uvolňování akumulované sluneční energie v podobě tepla (topné vody) s časovým zpožděním za přímými slunečními zisky (temperování budovy v noci).
Zapojení dodatkového zdroje tepla je vhodné pro dřevokotle, které pracují do akumulace (setrvačnost paliva) nabíjené na vysokou teplotu.
Možnost napojení na otopnou soustavu s vyšším teplotním spádem.
Požadavky na instalaci:
Způsob přípravy TV je vhodný pouze u systémů s vysokou výstupní kotlovou teplotou (nad 70 °C) vzhledem k dostatečnému teplotnímu rozdílu na trubkovém výměníku. Tomu vyhovují zejména kotle na spalování biomasy. Pokud je tento systém provozován s tepelným čerpadlem popř. s kondenzačním kotlem na nízké teploty v kombi zásobníku, je nutný malý pohotovostní ohřívák TV pro dohřev teplé vody vystupující z průtočného ohřevu v akumulační nádobě.
Výhodné je použití solárního systému typu low-flow s vyšším teplotním spádem.
Je vhodné mírně zvýšit sklon kolektorů na 60° až 70°.
Další požadavky podle uvažovaného spotřebiče letních přebytků.
2.9 Variantní řešení připojení akumulačních nádob
Uvedená schémata jsou samozřejmě jen výběr z nepřeberných možností zapojení solární soustavy do celkového tepelného systému objektu. V další části jsou na zjednodušených schématech ukázány různé možnosti zapojení jak na primární (solární) části okruhu, tak i na straně dotápění a odběru tepla.
2.9.1 Možnosti připojení solární soustavy
Obr. 2.11 Základní zapojení solárního okruhu
Na Obr. 2.11 jsou některé základní možnosti napojení solární soustavy do akumulačního zásobníku. Pokud je pro solární soustavu k dispozici pouze jeden vestavěný výměník, musí být v dolní části akumulační nádoby (Obr. 2.11a). Pokud jsou v akumulační nádobě dva vestavěné výměníky k dispozici pro solární soustavu, je možné zapojení podle Obr. 2.11b, které umožňuje i částečnou stratifikaci. Lepší solární regulátory toto zapojení umí ovládat. Obdobou je zapojení Obr. 2.11e, pro větší solární soustavy s externím výměníkem.
Obr. 2.12 Zapojení solárního okruhu s rozsáhlým venkovním vedením
U některých solárních soustav se nelze vyhnout poměrně rozsáhlým venkovním rozvodům. Jak bylo zmíněno v odstavci oběhových čerpadel, může zejména rozběh v zimním období při nízkých venkovních teplotách způsobovat problémy. Mohlo by dojít k tomu, že teplota v kolektorech stoupne na potřebnou hodnotu, oběhové čerpadlo se rozeběhne, vlivem nízké teploty v přívodním potrubí dojte k ochlazování akumulační nádoby (Obr. 2.11a,b,c), nebo dokonce k zamrznutí a poškození deskového výměníku (Obr. 2.11d,e,f). Řešením může být instalace termostatického nebo řízeného trojcestného ventilu, který pustí teplonosnou látku do akumulační nádoby (deskového výměníku) až když má v jejich blízkosti dostatečnou teplotu. Ochrana podchlazení akumulační nádoby pouze spínáním sekundárního oběhového čerpadla (Obr. 2.12b) nebo instalace ochranného trojcestného ventilu až za deskovým výměníkem (Obr. 2.12c) je nevhodná právě díky nebezpečí zamrznutí deskového výměníku.
Obr. 2.13 Možnosti větvení solárního okruhu ke spotřebičům
Pokud je nutné rozdělit solární okruh k více spotřebičům, je samozřejmě použít různé způsoby (Obr. 2.13). V dnešní době převažuje varianta Obr. 2.13b zejména z důvodů lepšího hydraulického návrhu jednotlivých okruhů, každý okruh může mít jiné čerpadlo optimálně navržené na požadovaný průtok.
2.9.2 Možnosti napojení dodatkového zdroje tepla
Obr. 2.14 Možnosti napojení dodatkového zdroje tepla
Ve většině případů jde o standardní připojení dodatkového zdroje tepla. Za komentář stojí především zapojení podle Obr. 2.14d, který klade na dohřev vysoké nároky z hlediska regulace výkonu. Dodatkový zdroj tepla musí být schopen regulovat výkon tak, aby teplota na výstupu zůstala zachována.
3 Energetické zisky z kolektorového pole
Jak již bylo v úvodu naznačeno, je funkce (provozní stavy) solární soustavy silně závislá na meteorologických podmínkách. I přes tuto nevýhodu je možné si učinit určitý přehled o energetických ziscích z kolektorového pole v průběhu roku.
Na základě meteorologických dat (měsíčních nebo hodinových) je možné s dostatečnou přesností spočítat předpokládanou energetickou bilanci kolektorového pole, a díky tomu celou soustavu správně nadimenzovat. Jako zdroj dat může sloužit dnes dostupná literatura a výrobcem předkládané změřené charakteristiky účinnosti kolektorů.
Pro přesnější projektování především větších kolektorových polí slouží výpočtové programy pracující tzv. "referenčním rokem" (TRY - Test Reference Year, TMY - Test Meteorological Year) jako jsou TRNSYS, POLYSUN ap. Tyto programy počítají tepelnou bilanci objektu včetně zisků z kolektorového pole a modelují tepelné chování objektu pomocí průměrných hodinových hodnot teploty, přímé a difúzní radiace, rychlosti a směru větru. Hodinová data jsou v softwaru TRNSYS k dispozici pro 5 lokalit v České republice; Hradec Králové, Churáňov, Kuchařovice, Ostrava-Poruba, Praha.
4 Závěr
Pro optimální využití sluneční energie nestačí tuto energii pouze zachytit, ale je nutno jí odvést z kolektoru, uchovat a vhodně využít. K tomuto účelu je bohužel nutné vybudovat celý poměrně sofistikovaný systém, který bude podřízen záměru využívání tepelné energie. Obecně systém zahrnuje zdroj energie tj. kolektorové pole a dále transportní soustavu (potrubí, čerpadla, případně výměník), akumulátor energie, regulaci a napojení na uživatelské technologie. Každý z těchto článků je v systému rovnocenný a snadno v něm můžeme těžce získanou energii zmařit. Proto musíme dbát na koncepční přístup a na vyváženost jednotlivých prvků od počátku, t.j. od projektu až po realizaci. Při projektování a následné montáži je nutné zohlednit všechna specifika navrhované solárního soustavy a přistupovat k němu jako k celku. To vyžaduje zkušenosti v oboru a pečlivé dimenzování všech hlavních prvků zejména u větších solárních soustav.
[1] Jirka, Vladimír. Optické rastry ve stavebnictví. Praha: ČVUT v Praze, 2009.
[2] Matuška, Tomáš. Transparentní tepelné izolace a jejich využití v solární technice. Praha: ČVUT v Praze, Disertační práce. 2003.
[3] ČSN EN 9488 Solární energie - Slovník. Praha: ČNI, 1999.
[4] Matuška, Tomáš, Schwarzer, Jan a Šourek, Bořivoj. Solární soustavy - teorie a schémata. [http://www.tzb-info.cz/] Praha: 2005
Partneři projektu TZB-info 2010 - Regenerace bytových domů
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Věc: Recenze - posouzení příspěvku
Název příspěvku: Přímé využití sluneční energie - systémy využívající fototermální kapalinové kolektory
Autor: Ing. Bořivoj Šourek
Recenzent: Ing. Vladimír Jirka, CSc. - ENKI, o.p.s.
Příspěvek obšírně seznamuje čtenáře s možnostmi fototermálního využívání sluneční energie v našich klimatických podmínkách jak z hlediska systémového, tak výběru vhodných komponentů. Souborný materiál ve své první části ukazuje trendy ve využívání sluneční energie a technické prostředky, vedoucí k jejich naplnění. Je věnovaná popisu jednotlivých komponentů, jejich místu v systému a základnímu dimenzování.
Ve druhé části je autorem předložena rešerše možných systémových řešení získání tepelné energie konverzí slunečního záření, aplikovatelných od malých soustav až po velká kolektorová pole. Autor v přehledné formě na základě jejich funkce, požadavků na provoz, výhod a nevýhod přiřazuje jednotlivým systémům jejich místo v aplikačním prostoru.
Ve třetí části jsou popsány a okomentovány konkrétní případy zapojení solárních soustav pro nejrůznější aplikace, ze kterých si převážná část čtenářů vybere tu svoji či inspiraci pro návrh svého systému. V závěru jsou uvedeny některé obecné zásady a možnosti navrhování "solárních" systémů, a také zásadní chyby, kterých by se měli čtenáři vyvarovat.
Příspěvek je značně rozsáhlý, ale přesto jej doporučuji zachovat v původním rozsahu. Jeho předností je komplexní pohled na problematiku fototermálního využití energie Slunce, který je u nás ojedinělý. Ve článku jsou uvedeny veškeré základní informace, které čitatel potřebuje v období, kdy se rozhoduje o tom, zda a jakým způsobem využívat energii Slunce pro ohřev vody a o jejím dalším využití v energetickém systému objektu. Práce je napsána srozumitelně a používá správné terminologie. Z předloženého materiálu je vidět, že autor má nejenom teoretické znalosti jako vysokoškolský pedagog, ale také inženýrskou erudici jako projektant, což dodává poznatkům, uvedeným v textu praktickou využitelnost. Doporučuji text doplnit o literaturu, ze které autor jistě také čerpal.
Klíčová slova: Slunce, sytém, kolektor, teplo
V Třeboni 7.4.2010 V. Jirka
In the first part of the article is a brief overview of the market of collectors of solar radiation in the Czech Republic, the basic layout of different types of collectors and major part of solar systems. Following parts provide some basic connection of solar systems for various heating load (hot water, heating, swimming pool) and a simplified design absorber area. Each scheme is briefly described its function. In conclusion, it is marked possible connections of storage tanks for different performance.