Zjednodušená bilance solárního kolektoru

On-line výpočtová pomůcka Zjednodušená bilance solárního kolektoru

Úvod

Zjednodušený výpočtový postup energetického hodnocení solárních soustav (TNI 73 0302) původně vznikl jako reakce na nereálné hodnocení energetických přínosů solárních soustav v auditech pro Operační program Životní prostředí. Nejčastější chybou bylo nezapočtení tepelných ztrát vlastní soustavy, použití nereálných provozních podmínek a zahrnutí letních nevyužitelných přebytků tepelné energie ze solární soustavy. V takových auditech se lze setkat s hodnotami měrných tepelných zisků solárních soustav vyššími než 600 kWh/(m².rok) pro přípravu teplé vody při pokrytí potřeby tepla nad 60 %, přestože z dlouhodobých měření tuzemských solárních soustav pro přípravu teplé vody vyplývají hodnoty měrných zisků v průměru okolo 400 kWh/(m².rok), u rodinných domů je to běžně od 250 do 350 kWh/(m².rok).

Snahou bylo vypracovat výpočtový postup zohledňující specifika dané solární soustavy: orientace a sklon kolektorů, tepelné ztráty v dané aplikaci, tepelné ztráty solární soustavy, využitelnost tepelných zisků z kolektorů, atd. Na druhé straně byl kladen důraz na jednoduchost výpočtu: jednotné klimatické údaje, měsíční bilance, konstantní střední teplota v kolektoru během roku, paušální přirážky na tepelné ztráty dané aplikace, paušální srážky ze zisků kolektorů vlivem tepelných ztrát soustavy, atd. Zjednodušený výpočtový postup nemůže nahradit detailní výpočty a simulační výpočty, avšak je přístupný pro širokou odbornou veřejnost (výpočet lze v podstatě provést na kalkulačce) a do určité míry umožňuje bilancovat běžně dimenzované solární soustavy v uvedených aplikacích.

Postup výpočtu podle TNI 73 0302

Podstatou zjednodušené bilanční metody je stanovení skutečně využitých zisků solární soustavy Q_ss,u na základě porovnání teoreticky využitelných tepelných zisků solárních kolektorů Q_k,u a celkové potřeby tepla Q_p,c, která má být kryta. Celý výpočet lze v podstatě zapsat pro každý měsíc jako

Teoreticky využitelné zisky solární soustavy se v jednotlivých měsících stanoví jako

η₀, a₁ a a₂ - konstanty křivky účinnosti solárního kolektoru;
t_k,m - střední denní teplota teplonosné kapaliny v solárním kolektoru, ve °C;
t_e,s - střední venkovní teplota v době slunečního svitu, ve °C;
G_T,m - střední denní sluneční ozáření pro daný sklon a orientaci, ve W/m²;
H_T,den - skutečná denní dávka slunečního ozáření, v kWh/(m²den);
n - počet dní v měsíci;
A_k - plocha apertury solárních kolektorů, v m²;
p - hodnota srážky z tepelných zisků solárních kolektorů vlivem tepelných ztrát solární soustavy (rozvody, solární zásobník)

Bilanční metoda je fyzikálně zřetelným postupem energetického hodnocení solárních soustav, která zohledňuje:

1. klimatické podmínky: střední teplota v době slunečního svitu t_e,s, měsíční dávku slunečního ozáření H_T,den a střední sluneční ozáření G_T,m uvažované plochy solárních kolektorů pro podmínky jasné oblohy (v době provozu solárních kolektorů) podle sklonu a orientace plochy kolektorů;
2. typ solárního kolektoru: konstanty křivky účinnosti η₀, a₁ a a₂ a plocha apertury kolektoru A_k, ke které je křivka účinnosti vztažena;
3. sklon a orientace kolektoru;
4. provozní podmínky: střední teplota teplonosné kapaliny v solárních kolektorech t_k,m;
5. tepelné ztráty solární soustavy, resp. jejich podíl z teoretických "čistých" zisků solárních kolektorů Q_k;
6. potřebu tepla v dané aplikaci a její vliv na využitelnost tepelných zisků solární soustavy

Komentář k jednotlivým bodům:

ad 1) TNI používá jednotné klimatické údaje (typická lokalita město), aby hodnocení solární soustavy bylo jednotné a snadno ověřitelné. Snahou výpočtového postupu není přiblížit se co nejblíže skutečnosti v daném místě (nelze zjednodušenými metodami), ale věrohodně posoudit vhodnost návrhu plochy a typu solárních kolektorů z hlediska využitelnosti jejich zisků.

ad 2) TNI 73 0302 připouští pro výpočet použití křivky účinnosti vztažené k ploše apertury solárního kolektoru v souladu s ČSN EN 12975-2 [2]. Plocha apertury je jednoduše změřitelná bez rozebrání solárního kolektoru a je evropskými zkušebními ústavy používána v naprosté většině případů jako referenční plocha solárních kolektorů.

Výpočtový postup neuvažuje křivku modifikátoru úhlu dopadu (IAM) konkrétního kolektoru, která stanovuje vliv úhlu dopadu slunečního záření na vlastní účinnost solárního kolektoru. Má to dva důvody: a) zkušenost ukazuje, že dodavatelé solárních kolektorů křivku IAM nemají k dispozici (změřenou), případně projektanti a auditoři ani nevědí co to je; b) jedním z cílů výpočtové metody byla snaha o zjednodušení množství potřebných vstupních údajů. Tato skutečnost znevýhodňuje kvalitní trubkové vakuové solární kolektory s válcovým absorbérem. Na druhé straně nelze paušálně stanovit, že všechny trubkové kolektory budou mít ve výpočtu zvýšeny zisky např. o 20 % vlivem svých optických vlastností, protože u řady z nich to jednoduše neplatí. Přínos optických vlastností trubkových kolektorů je velmi závislý na konkrétní geometrii jak vakuových trubek (rozteč), tak reflektoru (tvar, vzdálenost od trubek). Některé trubkové vakuové kolektory jsou svými optickými vlastnostmi i horší než kolektory ploché [3]. Obecně je proto vliv úhlu dopadu (spolu s jinými vlivy) na účinnost zahrnut v jednotném korekčním součiniteli 0,9 v rovnici (2), který snižuje zisky vypočtené z křivky účinnosti kolektoru získané za laboratorních podmínek zkoušky [2].

ad 3) TNI umožňuje hodnotit solární soustavy s kolektory o sklonu 0 až 90° a orientaci ±45° od jihu. Pro vyšší azimuty již zjednodušený výpočet zisků není platný, neboť vliv středního měsíčního úhlu dopadu na účinnost kolektoru je mnohem vyšší než zohledňuje korekční činitel 0,9 (viz komentář k bodu 2).

ad 4) TNI zohledňuje typ aplikace a dimenzování solární soustavy, které určují provozní podmínky. Obecně platí, že čím vyšší solární pokrytí, tím vyšší přebytky nevyužitelné energie v letním období a tím vyšší průměrná teplota v kolektorech během roku. Průměrná provozní teplota (roční, měsíční) v solární soustavě je ovlivňována řadou faktorů (velikost zásobníku, dimenzování výkonu kolektorů vůči odběru tepla a velikosti zásobníku, úroveň tepelné izolace) a je velmi obtížné jednoduchým způsobem zohlednit různé případy a kombinace. Výpočet nedokáže zohlednit extrémní předimenzování plochy solárních kolektorů. TNI zavádí provozní teplotu jako paušální hodnotu v závislosti na typu a pokrytí solární soustavy a pro jednoduchost výpočtu nezohledňuje změnu provozní teploty během roku (v zimě nižší hodnoty, v létě vyšší).

ad 5) Tepelné ztráty solární soustavy (rozvodů, solárního zásobníku) snižují využitelné zisky solární soustavy. Zatímco u malých soustav, např. pro rodinné domy jsou tepelné ztráty značné v porovnání s energií produkovanou kolektory (až 40 % i u dobře zaizolovaných soustav), u velkoplošných solárních soustav se poměr tepelných ztrát vůči teoreticky využitelným ziskům kolektorů výrazně zmenšuje (< 5 %). Nicméně, relativní rozdíl mezi tepelnými ztrátami soustavy s velmi dobrým izolačním standardem (např. více než 20 mm izolace na potrubí 22x1) a špatným izolačním standardem (např. 10 mm izolace na potrubí 22x1) je cca do 20 %, proto jsou použity paušální hodnoty srážky ze zisků vlivem tepelných ztrát bez ohledu na konkrétní podmínky zaizolování potrubí a zásobníku.

ad 6) TNI uvádí postup, jak stanovit potřebu tepla pro přípravu teplé vody a vytápění, včetně zjednodušeného výpočtu souvisejících tepelných ztrát, které je možné solárními zisky pokrýt. V případě přípravy teplé vody TNI vychází z reálných hodnot spotřeb podle [4] potvrzených měřením na řadě instalací v ČR. V běžných aplikacích přípravy teplé vody nelze použít hodnoty spotřeby teplé vody z normy ČSN 06 0320 [5]. Návrhové hodnoty uvedené v normě, např. 82 l/(os den) pro obytné budovy, jsou určeny pro návrh zdroje tepla a objemu zásobníku teplé vody pro bezpečné zajištění přípravy teplé vody v daném objektu a jsou ze své podstaty výrazně vyšší než průměrné dosahované (cca dvojnásobné).

V případě výpočtu potřeby tepla na vytápění při bilancování kombinovaných solárních soustav metodika doporučuje využít výpočtu provedeného v souladu s ČSN EN ISO 13790 [6], pokud je k dispozici. Pokud k dispozici není, TNI umožňuje s ohledem na časovou náročnost výpočtu a požadavky na detailní vstupní údaje použít zjednodušenou denostupňovou metodu pro přibližné stanovení potřeby tepla na vytápění v určitém období (měsíc). Pracnost výpočtu podle ČSN EN ISO 13790 je neúměrná vlivu přesnosti stanovení potřeby na výsledky bilance využitelných tepelných zisků solární kombinované soustavy.

Výsledky výpočtu podle TNI jsou celkové roční využitelné (skutečně využité) zisky solární soustavy Q_ss,u, solární podíl f a měrné tepelné zisky solární soustavy q_ss,u.

Závěr

Metodika bilancování solárních soustav podle TNI 73 0302 je zjednodušeným postupem výpočtu a proto má řadu nevýhod. Nedokáže zohlednit skutečné chování solární soustavy za všech podmínek návrhu a provozu, nicméně pro běžně dimenzované solární soustavy umožňuje přibližně stanovit energetické přínosy. Podrobně bilancovat solární soustavy umožňuje řada simulačních programů (TRNSYS, Polysun, T-sol, aj.), z nichž řadu již projektanti a dodavatelské společnosti v ČR používají nejen pro hodnocení solárních soustav, ale i pro jejich návrh.

Odkazy

[1] TNI 730302 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav - Zjednodušený výpočtový postup. ÚNMZ 2009.
[2] ČSN EN 12975-2 Tepelné solární soustavy a součásti - Solární kolektory - Část 2: Zkušební metody, která detailně popisuje zkušební metody a podmínky, za kterých jsou solární kolektory zkoušeny. ČNI 2006.
[3] Matuška, T.: Hodnocení výkonnosti solárních kolektorů, Sborník konference Alternativní zdroje energie 2010, Kroměříž, Společnost pro techniku prostředí 2010.
[4] Richtlinie VDI 2067, Blatt 4 - Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen. Warmwasserversorgung, 1982.
[5] ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách - Příprava teplé vody - Navrhování a projektování. ČNI, 2006.
[6] ČSN EN ISO 13790 - Energetická náročnost budov - Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení. ÚNMZ 2009.