Solární kolektory a tepelná čerpadla – k čemu je jejich testování a parametry?
Zpracovatelé energetických posudků, auditoři či projektanti pracují při návrhu a hodnocení systémů s obnovitelnými zdroji energie s prvky jako jsou solární kolektory, tepelná čerpadla či zásobníky tepla při použití podkladů od výrobců, které obsahují parametry těchto zařízení jako výsledek laboratorní zkoušky. Kromě, že lze dva výrobky rámcově srovnat z pohledu výkonu a účinnosti, tak parametry a charakteristiky získané ze zkoušky v laboratoři slouží i pro správný návrh a vyhodnocení celoročního chování prvku zabudovaného v celé tepelné soustavě.
Úvod
Zpracovatelé energetických posudků, auditoři či projektanti pracují při návrhu a hodnocení systémů s obnovitelnými zdroji energie s prvky jako jsou solární kolektory, tepelná čerpadla či zásobníky tepla. Používají při tom podklady od výrobců, které obsahují parametry těchto zařízení jako výsledek laboratorní zkoušky. Kromě toho, že lze dva výrobky rámcově srovnat z pohledu výkonu a účinnosti, tak parametry a charakteristiky získané ze zkoušky v laboratoři slouží i pro správný návrh a vyhodnocení celoročního chování prvku zabudovaného v celé tepelné soustavě.
Solární kolektory
Obr. 1 – Porovnání křivky účinnosti kolektorů při vztažení k ploše apertury (tence) a k hrubé ploše (tučně)
Testování solárních tepelných kolektorů se v současnosti provádí v souladu s ČSN EN ISO 9806 [1], která v roce 2014 nahradila původní normu ČSN EN 12975-2 [2]. Z hlediska postupů zkoušení solárních kolektorů nedošlo k výrazným změnám. Zásadní změnou je, že se křivka účinnosti vztahuje nově tk hrubé ploše kolektoru, tj. k ploše, kterou solární kolektor zabírá na nosné konstrukci. Je to velká změna ve vyhodnocení výsledků zkoušky oproti původní normě, která vztahovala účinnost k ploše apertury nebo ploše absorbéru [3]. Rozdíl ve vyhodnocení účinnosti pak zvláště vynikne, pokud se porovnává křivka účinnosti plochého a trubkového kolektoru, viz obr. 1. Zjednodušeně řečeno, pokud bude projektant spekulovat z jakého kolektoru při omezené ploše na střeše lze získat za jakých podmínek více energie, tzn. který má potenciálně vyšší účinnost, při srovnání například plochého a trubkového Sydney kolektoru z obr. 1 vychází lepší Sydney kolektor až od provozní teploty okolo 140 °C (při teplotě venkovního vzduchu 20 °C), což je vysokoteplotní průmyslová aplikace.
Křivka účinnosti solárního kolektoru je definována rovnicí
(1)
kde je
- η0
- účinnost kolektoru při nulových tepelných ztrátách [–];
- a1
- lineární součinitel tepelné ztráty [W/m2K];
- a2
- kvadratický součinitel tepelné ztráty [W/m2K2];
- tm
- střední teplota kapaliny v kolektoru [°C];
- te
- teplota okolního vzduchu [°C];
- G
- sluneční ozáření [W/m2].
Koeficienty η0, a1 a a2 jsou konstanty charakterizující křivku, musí být uvedeny v protokolu o zkoušce a dodavatel kolektoru by je měl udávat v technické dokumentaci. Zároveň musí být uvedeno, k jaké ploše jsou koeficienty vztaženy. Za pomoci uvedených koeficientů lze stanovit také výkon kolektoru při různých provozních podmínkách podle vztahu
(2)
kde je
- Ak
- plocha kolektoru, ke které jsou vztaženy koeficienty křivky účinnosti [m2].
Obr. 2 – Křivka výkonu solárního kolektoru při G = 1000 W/m2
Jak vyplývá z grafického zobrazení vztahu (2) na obr. 2, výkon solárního kolektoru není konstantní hodnota, jak je tomu u běžných zdrojů tepla, ale výrazně se mění s provozními podmínkami od nuly do maxima. Rozlišuje se špičkový výkon jako maximální tepelný výkon bez tepelných ztrát, tj. při nulovém rozdílu mezi teplotou kapaliny v kolektoru tm a teplotou okolí te, a instalovaný výkon, definovaný pro podmínky tm = 50 °C, te = 20 °C a G = 1000 W/m2.
Obr. 3 – Výpočtový nástroj pro bilancování solárních soustav podle TNI 73 0302
Na ploše kolektorového pole a na jeho výkonu závisí dimenzování v podstatě všech prvků solární tepelné soustavy. Dimenze potrubí hlavní větve závisí na průtoku, který se odvozuje z činné plochy apertury kolektorového pole. Potřebná tloušťka izolace potrubí závisí na jeho stanovené dimenzi. Na velikosti kolektorového pole a potrubní sítě závisí objem teplonosné kapaliny, ze které se počítá objem expanzní nádoby. Pojistný ventil se navrhuje na špičkový výkon kolektorového pole, viz obr. 2. Pro instalovaný výkon kolektorového pole při daných provozních podmínkách se navrhuje výměník tepla solární soustavy. Projektant se tedy při návrhu solární soustavy bez křivky výkonu solárních kolektorů neobejde.
Podobně se bez křivky výkonu solárních kolektorů neobejde ani energetický specialista, pokud má zodpovědně zhodnotit přínosy solárních tepelných soustav. V současnosti lze pro energetické hodnocení solárních soustav využívat TNI 73 0302 v revidované podobě z roku 2014 [4], která byla zpracována i jako volně dostupný výpočtový nástroj BilanceSS verze 2015/2 [5]. V uvedeném nástroji lze provést energetickou bilanci solární soustavy v řádu minut. Je však nutné mít k dispozici právě konstanty křivky účinnosti a příslušné plochy kolektoru jako výsledek zkoušky. Nová verze výpočtového nástroje oproti starším verzím je dána revizí TNI 73 0302 z roku 2014 a přechodem na jednostránkovou strukturu. Úpravy ve výpočtovém nástroji se dotkly také změny zkušební normy pro kolektory, proto je nutné zadat nově i vztažnou plochu kolektoru, ke které jsou vztaženy koeficienty křivky účinnosti. Více viz popis nástroje na uvedeném odkazu.
Tepelná čerpadla
Oproti solárním kolektorům, které jsou spíše úspornými opatřeními a nikdy nejsou samostatnými zdroji tepla, jsou tepelná čerpadla plnohodnotnou náhradou za konvenční zdroje jako elektrokotle nebo plynové kotle. I jejich výkon a efektivita však závisí na podmínkách provozu. Pro navrhování soustav s tepelnými čerpadly a bilancování energetických úspor jejich nasazením je proto potřeba znát jejich charakteristiky, především závislost topného výkonu a topného faktoru na teplotě na vstupu do výparníku a na teplotě na výstupu z kondenzátoru.
Zkušební norma ČSN EN 14511 definuje kromě metodického postupu zkoušení také zkušební podmínky [6], které mají pro různé druhy tepelných čerpadel (vzduch-voda, země-voda, voda-voda) různý rozsah. Norma logicky požaduje pro tepelná čerpadla vzduch-voda, která pracují ve velkém rozsahu teplot venkovního vzduchu na vstupu do výparníku během roku daleko větší počet bodů, ve kterých se zkouší, než například pro tepelná čerpadla voda-voda, která pracují celoročně prakticky se stálou teplotou na vstupu do výparníku okolo 10 °C. Zkušební podmínky dané normou jsou uvedeny v tab. 1. Proložením hodnot topného výkonu a topného faktoru vhodnou funkcí lze potom získat závislosti (charakteristiky, viz obr. 4) ve formě rovnic a ty pak používat pro navazující výpočty při měnících se podmínkách.
| voda – voda | země – voda | venkovní vzduch – voda | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| tk2 / tv1 | 10 °C | 15 °C | −5 °C | 0 °C | 5 °C | −15 °C | −7 °C | 2 °C | 7 °C | 12 °C |
| 35 °C | ||||||||||
| 45 °C | ||||||||||
| 55 °C | ||||||||||
| 65 °C | ||||||||||
Obr. 4 Charakteristiky tepelného čerpadla země-voda proložené body získanými ze zkoušky
Obr. 5 – Výpočtový nástroj pro bilancování soustav s tepelnými čerpadly podle TNI 73 0351
Jednou z úloh, ke které je zapotřebí právě dostatečný počet bodů ze zkoušky v laboratoři, je vyhodnocení roční spotřeby elektrické energie soustavy s tepelným čerpadlem navrženým do konkrétního domu s konkrétní otopnou soustavou a přípravou teplé vody, případně v konkrétní klimatické oblasti. Pro výpočet energetické náročnosti instalace tepelného čerpadla existuje obecná norma ČSN EN 15 316-4-2 [7], která bilanci provozu tepelného čerpadla provádí tzv. intervalovou metodou. Vzhledem ke složitosti a podrobnosti normy byla vydána TNI 73 0251 [8], která postup zjednodušuje na přijatelnou míru pro projekční praxi a praxi hodnocení přínosů energetickými specialisty. Pro účely výpočtu byly v technické normalizační informaci publikovány i teplotní intervaly (četnosti teplot v ročním a měsíčním rozlišení), které odpovídají charakteristice klimatických podmínek používaných obecně pro hodnocení budov v ČR [9].
Podobně jako v případě solárních soustav je i pro soustavy s tepelnými čerpadly k dispozici volně dostupný výpočtový nástroj BilanceTC verze 2017/1 [10], který implementuje postup podle TNI 73 0351, avšak zahrnuje navíc i výpočet bilance tepelných čerpadel pro bazény. Výpočtový nástroj BilanceTC má velice podobnou strukturu jako nástroj pro bilancování solárních soustav, viz obr. 5. Pro zadání parametrů tepelného čerpadla (jakéhokoli) je potřeba mít k dispozici 16 bodů topného výkonu a 16 bodů topného faktoru v závislosti na teplotě na vstupu do výparníku a na teplotě na výstupu z kondenzátoru. Pokud projektant či specialista nemá dostatečný počet bodů ze zkoušky, lze z menšího počtu zjednodušeně vytvořit interpolací požadovaný počet, nicméně body musí být v relevantním rozsahu provozu tepelného čerpadla a vždy musí být vyplněny všechny buňky tabulky (matice) pro specifikaci tepelného čerpadla. Teplotní podmínky výparníku a kondenzátoru lze v zadávací tabulce případně změnit podle dostupných hodnot.
Závěr
Testování prvků jako jsou solární kolektory a tepelná čerpadla má nezastupitelnou úlohu pro určení nejen jejich jmenovitých parametrů, ale především charakteristik – závislostí parametrů (výkon, účinnost) na provozních podmínkách. Vzhledem k proměnlivému chování uvedených zdrojů tepla jsou detailní informace nezbytné jak pro návrh, tak pro hodnocení provozu.
Testování solárních kolektorů, tepelných čerpadel a zásobníků tepla je věnován jednodenní seminář, který pořádá Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT v Buštěhradě dne 21. června 2017 (viz přiložená pozvánka). Seminář ukáže praktické pozadí testování uvedených zařízení, ale také jak parametry používat ve výpočtech při hodnocení energeticky úsporných opatření a dosažení plánovaných úspor, jak je přepočítat na jiné podmínky návrhu apod. Součástí semináře bude exkurze v Solární laboratoři a Laboratoři tepelných čerpadel s výkladem.
Odkazy
- ČSN EN 12975-2 Tepelné solární soustavy a součásti – Solární kolektory – Část 2: Zkušební metody. ÚNMZ, 2006.
- ČSN EN ISO 9806. Solární energie – Solární tepelné kolektory – Zkušební metody, ÚNMZ, 2014.
- Pokorný, N., Šourek, B., Matuška, T.: Změna normy pro zkoušení solárních kolektorů, Portál TZB-info, dostupné z http://oze.tzb-info.cz/solarni-kolektory/13274-zmena-normy-pro-zkouseni-solarnich-kolektoru
- TNI 73 0302 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav – Zjednodušený výpočtový postup, ÚNMZ, 2014.
- Matuška, T., Šourek, B.: BilanceSS – Zjednodušená měsíční metoda pro bilancování solárních tepelných soustav, Výpočtový nástroj dostupný z http://users.fs.cvut.cz/tomas.matuska/?page_id=158
- ČSN EN 14511-2 Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Část 2: Zkušební podmínky, ÚNMZ, 2014.
- ČSN EN 15316-4-2 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení energetické potřeby a účinností soustavy – Část 4-2: Výroba tepla pro vytápění, tepelná čerpadla, ÚNMZ, 2011.
- TNI 73 0351 Energetické hodnocení soustav s tepelnými čerpadly – Zjednodušený výpočtový postup, ÚNMZ, 2014.
- TNI 73 0331 Energetická náročnost budov – Typické hodnoty pro výpočet, ÚNMZ, 2013.
- Matuška, T., Šourek, B.: BilanceTC – Zjednodušená měsíční metoda pro bilancování soustav s tepelnými čerpadly, Výpočtový nástroj dostupný z http://users.fs.cvut.cz/tomas.matuska/?page_id=161
The parameters and characteristics obtained from the laboratory test are used to compare products in terms of performance and efficiency. The results also serve for the correct design and evaluation of the year-round behavior of the element built into the entire thermal system.