Zjednodušené výpočty energetických přínosů

Zjednodušené výpočtové postupy jsou určeny ke stanovení přibližných energetických zisků a jsou použitelné především pro ruční výpočet nebo výpočet v běžném tabulkovém procesoru. Zisky solární soustavy se zjednodušenými výpočty stanovují zpravidla na základě měsíčních údajů o potřebě tepla, klimatických podmínkách a základních parametrů kolektorů, případně soustavy.

Výhodně lze zjednodušených metod použít ve fázi návrhu plochy solárních kolektorů, kdy lze orientačně porovnávat různé varianty návrhu plochy kolektorů a sledovat vliv způsobu dimenzování na možné přebytky nevyužitelné energie a potenciální celoroční zisky.

Zjednodušená měsíční bilanční metoda (TNI 73 0302)

Pro potřeby bilančních výpočtů v rámci energetického posuzování solárních soustav v energetických auditech byla standardizována měsíční bilanční metoda v TNI 73 0302 [1]. Zjednodušená měsíční bilanční metoda je obecně fyzikálně zřetelným postupem energetického hodnocení solárních soustav, který vede ke stanovení ročních tepelných zisků solární soustavy na základě porovnání teoreticky využitelných tepelných zisků solárních kolektorů a potřeby tepla, která má být kryta v jednotlivých měsících.

Výpočtový postup pro stanovení energetických zisků solárních tepelných soustav je založen na bilanci potřeby tepla v dané aplikaci včetně tepelných ztrát, tepla dodaného solárními kolektory, tepelných ztrát solární soustavy a využitelnosti solárního tepla v dané aplikaci. Výpočtový postup je obecně určen pro základní typy solárních soustav:

• solární soustavy pro přípravu teplé vody;
• kombinované solární soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění;
• solární soustavy pro ohřev bazénové vody.

Výpočet založený na energetické bilanci využitelných měsíčních tepelných zisků solárních soustav je fyzikálně zřetelný, nicméně je do značné míry zjednodušený:

• střední teplota v kolektorech je v celém roce uvažována jako konstantní hodnota - neuvažuje se vliv poměru mezi tepelnými zisky instalované plochy kolektorů, velikostí zásobníku a odběrem tepla v jednotlivých měsících na provozní teplotu v kolektorech;
• tepelné ztráty solární soustavy se zahrnují paušální srážkou ze zisků - neuvažuje se skutečná úroveň tepelné izolace solárního zásobníku a rozvodů, předpokládá se kvalitní tepelně izolační standard;
• vliv optických charakteristik kolektoru (modifikátor úhlu dopadu) je paušálně zjednodušen v korekci celkových zisků kolektoru - nelze hodnotit solární soustavy s orientací kolektorů mimo rozsah 45° od jihu;
• nezohledňuje se velikost akumulačního zásobníku a nelze tedy vyhodnotit soustavy s extrémně malou nebo velkou plochou kolektorů, ale pouze v rozsahu solárního pokrytí přibližně od 30 do 75 %,

a proto výpočet udává pouze přibližné a zároveň relativně optimistické výsledky.

Výpočetní postup minimalizuje množství vstupních informací na základní parametry a veličiny:

• solární kolektor: konstanty křivky účinnosti η₀, a₁ a a₂ a plocha apertury kolektoru A_k, ke které je křivka účinnosti vztažena.
• spotřeba tepla na přípravu teplé vody: měrná spotřeba teplé vody v l/os.den při ohřevu z 15 na 60 °C, případně letní pokles spotřeby, tepelné ztráty přípravy teplé vody jsou stanoveny zjednodušeně přirážkou podle typu zařízení;
• spotřeba tepla na vytápění: pokud je k dispozici, použije se měsíční výpočet v souladu s ČSN EN ISO 13790; pokud není, stanoví se potřeba tepla upravenou denostupňovou metodou z výpočtové tepelné ztráty objektu;

Výpočet využívá jednotné klimatické podmínky (teplota, sluneční ozáření, dávka slunečního ozáření) pro jednotlivé měsíce v tabelární formě. Údaje o slunečním ozáření zohledňují sklon (0 až 90°) a orientaci (±45° od jihu) solárního kolektoru.

V současné době (2010) je bilanční metoda referenční metodou při posuzování energetických přínosů solárních tepelných soustav v rámci podpory v Operačním programu Životní prostředí a v dotačním programu Zelená úsporám. Pro projektanty a energetické auditory je k dispozici výpočetní program BilanceSS_5.4 [2] vycházející z TNI 73 0302, který má sloužit jako jednoduchý a volně dostupný nástroj pro projektanty a auditory.

Metoda f-chart

Metoda f-chart [3] byla vyvinuta pro vyhodnocení ročních tepelných zisků kapalinových a vzduchových solárních soustav pro vytápění a přípravu teplé vody a pro čistě přípravu teplé vody s minimální provozní teplotou 20 °C. Metoda poskytuje výpočetní postup pro stanovení měsíčních hodnot solárního pokrytí potřeby tepla v dané soustavě na základě vstupních parametrů: plochy kolektorů, typu kolektorů (parametry η₀, a₁, a₂, K₅₀), objemu solárního zásobníku, úrovně tepelné izolace a měrném tepelném výkonu výměníku v primárním okruhu.

Principem metody je korelační závislost odvozená na základě výsledků stovek simulačních výpočtů tepelného chování solárních soustav pro stanovené rozsahy hodnot parametrů jednotlivých prvků. Korelační závislost udává měsíční pokrytí potřeby tepla pro přípravu teplé vody nebo vytápění solárními zisky jako funkci dvou bezrozměrných parametrů:

• X poměr tepelných ztrát kolektor-primární okruh ke spotřebě tepla v aplikaci;
• Y poměr pohlceného slunečního záření kolektory ke spotřebě tepla v aplikaci.

Metoda f-chart byla zavedena v evropské normě EN 15316-4-3 [4] pro stanovení produkce tepla solárními soustavami jako metoda využívající technické parametry prvků solární soustavy (metoda B). Původní výpočtový postup byl zjednodušen ve snaze minimalizovat počet vstupních parametrů. V případě neznalosti hodnot některých vstupních parametrů pro výpočet norma udává paušální hodnoty (horší z hlediska energetických přínosů). Metodu f-chart je možné v souladu s EN 15316-4-3 použít pro podrobný výpočet v rámci soustavy výpočtových postupů hodnocení energetické náročnosti budovy, který kromě tepelných zisků dodaných solární soustavou Q_ss,u stanovuje dále:

• tepelné ztráty solárního zásobníku;
• využitelné a využité tepelné ztráty solární soustavy;
• spotřebu pomocné elektrické energie čerpadel a regulace v kolektorovém okruhu.

Pro běžného projektanta nebo energetického auditora bez hlubší znalosti původní f-chart metody a teorie solárních kolektorů a soustav obecně je však EN 15316-4-3 relativně nepřístupnou výpočtovou metodikou s ohledem na pochopení významu zadávaných a určovaných parametrů (např. hodnoty referenční provozní teploty solární soustavy pohybující se na úrovni 100 °C, průměrná hodnota slunečního ozáření za 24 hodin, t.j. včetně noci, apod.). V případě aplikace EN 15316-4-3 je proto vhodné využít některý z dostupných výpočetních nástrojů (SOLEN, F-SOLAR), pokud jsou vybaveny klimatickými údaji pro ČR.

Odkazy

[1] TNI 730302 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav - Zjednodušený výpočtový postup. ÚNMZ 2009.
[2] Šourek, B., Matuška, T.: Program BilanceSS_5.4
[3] Duffie, J. A., Beckman, W. A.: Solar engineering of thermal processes. 3. vydání. Wiley 2006, ISBN 13-978-0-471-69867-8.
[4] ČSN EN 15316-4-3 Tepelné soustavy v budovách - Výpočtová metoda pro stanovení energetických potřeb a účinností soustavy - Část 4-3: Výroba tepla na vytápění, tepelné sluneční soustavy, ČNI, 2008.