Oběhová čerpadla a hydraulika solárních soustav (II)

SOLÁRNÍ KOLEKTOR

Solární kolektor je z hydraulického hlediska více či méně složitá síť potrubí ve tvaru meandru, lyry nebo U svazků. Hydraulika vlastních kolektorů se řídí použitými průměry rozvodných a sběrných trubek a spojovacích trubek odvádějících teplo z absorpční plochy kolektoru (celoplošný absorbér, lamely). Pokud jsou tlakové ztráty třením ve spojovacích trubkách výrazně vyšší než místní tlakové ztráty odbočením a spojením spojovacích trubek s rozvodnou a sběrnou trubkou (mění se podél rozvodné a sběrné trubky podle poměru průtoků v jednotlivých směrech) a vlastní ztráty třením v rozvodné a sběrné trubce, potom je možné předpokládat, že kolektor je hydraulicky vyvážen a průtok, rovnoměrně rozdělený do spojovacích trubek, zajišťuje rovnoměrný odvod tepla z kolektoru. V případě hydraulicky nevyváženého kolektoru však může docházet ke špatnému zatékání do některých spojovacích trubek a vlivem podprůtoku se daná oblast přehřívá a snižuje tak odvod tepla z povrchu absorbéru.

Obdobná úvaha platí i pro vzájemné paralelní spojování běžných solárních kolektorů. Ekonomicky dimenzovaná rozvodná a sběrná trubka probíhající kolektorem umožňuje spolehlivé zatékání do lamel až do určité hodnoty průtoku. Spojováním kolektorů paralelně "vedle sebe" se zvyšuje návrhový průtok rozvodnou a sběrnou trubkou, zatímco návrhový průtok jednotlivými spojovacími trubkami by měl zůstávat stejný. S rostoucím průtokem roste výrazně rychlost a tedy tlakové ztráty třením a místními odpory v rozvodné a sběrné trubce. Okrajové části (krajní kolektory) mohou potom vykazovat výrazné podprůtoky, případně opačný směr proudění. To vede k přehřívání okrajových částí kolektorů a kolektorových polí, snížení účinnosti a využitelných solárních zisků. Dalším dopadem je samozřejmě zvýšení celkové tlakové ztráty kolektorového pole. Pro eliminaci tohoto jevu doporučují výrobci běžných maloplošných kolektorů (do 2 m²) řadit paralelně maximálně 6 kolektorů.

U solárního kolektoru s rostoucím průtokem roste na jedné straně jeho tlaková ztráta, na druhé straně roste přestup tepla do teplonosné látky, a tedy i částečně účinnost solárního kolektoru. Hydraulika solárních kolektorů a návrh konstrukce absorbéru pro maloplošné a velkoplošné solární kolektory vyžaduje určitou optimalizaci těchto dvou protichůdných požadavků [3].

POTRUBÍ

Návrh dimenze potrubí solární soustavy může významně ovlivnit celkovou tlakovou ztrátu, především u menších solárních soustav s trubkovými výměníky, které nevnášejí do soustavy významný hydraulický odpor. V tab. 2 jsou uvedeny tři varianty pro volbu dimenze potrubí pro solární soustavu s parametry: 4 m² plochy kolektorů, průtok 400 l/h, délka potrubí 30 m, celkové místní ztráty Σξ = 50. Všechny varianty pro návrh dimenze potrubí odpovídají běžnému topenářskému pravidlu volby rychlosti proudění teplonosné látky mezi 0,2 až 0,6 m/s. Rozdíl v tlakové ztrátě solární soustavy jednotlivých variant je několikanásobný. Přímo úměrně se liší i čerpací práce E_č (Wh) během roku

(8)

kde Δp (Pa) je výtlak čerpadla v pracovním bodě, (m³/s) je objemový průtok čerpadla v pracovním bodě a τ_č (h/rok) je doba běhu čerpadla solární soustavy (orientačně 2000 h/rok).

Při průměrném ročním tepelném zisku 400 kWh_t/m².rok z kolektorů se danou solární soustavou získá 1600 kWh_t/rok. K pohonu solární soustavy se však spotřebuje elektrická energie E_e ve výši 5 % hodnoty tepelného zisku pro potrubí 18x1, 4 % pro 22x1 a 2,5 % pro 28x1. Aby bylo možné porovnat tyto energie, je nutné elektrickou energii převést na primární (při účinnosti výroby cca 33 %), tzn. podíl se zvýší na trojnásobek. Podíl primární energie potřebné na provoz je potom 15 % ze zisku solární soustavy pro potrubí 18x1, 12 % pro 22x1 a 7,5 % pro 28x1. Nevhodná volba dimenze může tedy výrazně snížit čisté energetické zisky solárních soustav vlivem zvýšené spotřeby "kvalitní" elektrické energie získávané u nás v zásadě z neobnovitelných zdrojů.

S rostoucí dimenzí potrubí se na druhou stranu zvyšuje plocha tepelné izolace potrubí a tedy i tepelné ztráty, a dále se zvyšuje objem potrubí (snižuje se pružnost regulace). Při dimenzování potrubí solárních soustav je nutné hledat kompromis a optimalizovat návrh pro konkrétní aplikaci.

VÝMĚNÍK TEPLA

Výměníky tepla předávají energetický zisk z kolektorů do místa spotřeby, zpravidla akumulačního zásobníku (zásobníku tepla, zásobníku užitkové vody), bazénu atd. Běžně se používají trubkové a deskové tepelné výměníky. Trubkový výměník, zpravidla ve tvaru spirály umístěné přímo v zásobníku tepla, má nízký součinitel prostupu tepla k = 150 až 500 W/m².K. Je to způsobeno laminárním prouděním uvnitř trubky spirály a volným prouděním (konvekcí) vně trubky v zásobníku. Pro zajištění dostatečného výkonu výměníku je proto nutné navrhovat odpovídající teplosměnnou plochu, tzn. délku stočené trubky (desítky metrů). Tlaková ztráta je relativně nízká, tvoří ji pouze třecí ztráty v trubce.

Pro bazény se používají externí výměníky se svazkem rovných trubek. Zde je vysoký přestup tepla na straně bazénové vody, nicméně uvnitř trubek je proudění laminární (k = 500 až 1500 W/m².K).

Deskové výměníky tepla (protiproudé) se vyznačují turbulentním prouděním na obou stranách teplosměnné plochy a vysokým součinitelem prostupu tepla k = 1500 až 6000 W/m².K. Vzhledem k intenzivnímu proudění (vysoké rychlosti) je tlaková ztráta mnohonásobně vyšší než u trubkových výměníků.

Od určité plochy solárních kolektorů (> 20 m²) je nutné pro přenesení výkonu soustavy použít deskové výměníky. To samozřejmě zvyšuje nároky na čerpací práci, na jedné straně zvýšením tlakových ztrát, na druhé straně větším počtem čerpadel (na obou stranách výměníku).

OBĚHOVÁ ČERPADLA

Hybným prvkem solární soustavy je oběhové čerpadlo zajišťující dopravu teplonosné látky mezi kolektorem a zásobníkem tepla. Oběhová čerpadla je možné principiálně rozdělit na hydrostatická a hydrodynamická. V obecném případě čerpání kapalin je celková energie Y (J/kg) obsažená v 1 kg čerpané kapaliny definována Bernoulliho rovnicí

(9)

U hydrostatických čerpadel převažuje potenciální energie (g.H + p/ρ) a rychlostní energie (c²/2) je zanedbatelná, u hydrodynamických čerpadel jsou potenciální a rychlostní energie rovnocenné. Mezi hydrostatická čerpadla, která se vyznačují tvrdou (strmou) charakteristikou, patří např. zubová čerpadla. Tvrdá charakteristika způsobuje nezávislost průtoku na tlakových ztrátách potrubní sítě, což umožňuje přesné nastavení a udržení konstantního průtoku v solární soustavě.

Častěji se používají hydrodynamická čerpadla, běžná v otopných soustavách (bezucpávková mokroběžná oběhová čerpadla s přepínáním otáček). V současné době se vyrábí v provedení vhodném pro použití s nemrznoucí směsí (odolnost těsnění), při zvýšených teplotách (do 110 °C) a jsou cenově přijatelná. Hydrodynamická čerpadla mají měkkou charakteristiku s výraznou funkční vazbou mezi průtokem a výtlakem kapaliny. Zvyšování tlakové ztráty v potrubní síti vede ke snižování průtoku.

Na obr. 3 je uvedeno porovnání tvaru charakteristik obou typů čerpadel (hydrodynamické, hydrostatické) spolu s charakteristikou potrubní sítě pro propylenglykol + voda při 20 °C a 80 °C. Z obr. 3 je patrné, že při použití hydrostatického čerpadla se docílí téměř konstantního průtoku i při změně tvaru charakteristiky potrubní sítě solární soustavy vlivem teploty. Při použití běžného hydrodynamického čerpadla dochází k výraznější změně průtoku (až o 30 %).

Obr. 3 - Charakteristiky oběhových čerpadel

Elektronicky řízená oběhová čerpadla se využívají především u solárních soustav s proměnným průtokem (matched flow), případně u solárních soustav typu drain-back (s vyprazdňováním kolektorů), kde je pro zaplavení kolektorů nutný vysoký výtlak a poté je čerpadlo automaticky přepnuto na otáčky odpovídající pracovnímu bodu soustavy.

Při výběru oběhového čerpadla by měl pracovní bod solární soustavy (; Δp) ležet v oblasti maximální účinnosti čerpadla. Křivky účinnosti běžně výrobci čerpadel neuvádí (pouze naznačují optimální bod), projektant si je případně může dopočítat z křivek příkonu čerpadla. Celková účinnost čerpadla, včetně elektromotoru, se stanoví jako

(10)

kde ΔY (J/kg) je rozdíl měrné energie kapaliny mezi sáním a výtlakem, Δp (Pa) je rozdíl tlaku mezi sáním a výtlakem (dispoziční tlak čerpadla), (m³/s) je průtok čerpadlem, ρ (kg/m³) je hustota čerpané kapaliny, P_č (W) je hydraulický výkon čerpadla a P_e (W) je elektrický příkon čerpadla.

Poznámka ke značení: Výrobci oběhových čerpadel používají místo dispozičního tlaku Δp (Pa) dopravní výšku H (m), průtok (m³/s nebo m³/h) označují Q, což je ve vytápění zavedené označení pro teplo.

Stávající oběhová čerpadla pracují s velmi nízkou účinností, zvláště u malých čerpadel je účinnost nedostatečná (5-15 %). Nabízí se zde široké pole potenciálních úspor elektrické energie. Na obr. 4 jsou porovnány průběhy účinnosti oběhového čerpadla pro malé a velké průtoky v různých stupních otáček.

Výrobci čerpadel uvádějí charakteristiky čerpadel zásadně pro vodu při viskozitě ν = 1 x 10^-6 m²/s. Při čerpání kapalin s vyšší viskozitou se však u hydrodynamických čerpadel obecně mění charakteristika vlivem vyšších tlakových ztrát v čerpadle. Charakteristika se přepočítává na kapalinu s jinou viskozitou přes měrné otáčky čerpadla a přepočtovými součiniteli pro průtok, dispoziční tlak a účinnost [5]. U hydrostatických čerpadel vlivem malého vlivu rychlostní energie k posunu charakteristiky nedochází.

Obr. 4 - Porovnání účinnosti výkonnostně odlišných oběhových čerpadel

Při čerpání nemrznoucích směsí s viskozitou do 10 x 10^-6 m²/s jsou v běžných solárních soustavách změny charakteristiky hydrodynamického čerpadla zanedbatelné, významná je však změna účinnosti a příkonu oběhového čerpadla. Na obr. 5 je uvedena charakteristika oběhového čerpadla pro vodu (modře) a pro nemrznoucí směs s viskozitou 6 x 10^-6 m²/s (červeně). Charakteristika je pro obě kapaliny v podstatě totožná, křivka účinnosti vykazuje v bodě optima absolutní rozdíl cca 5 % poměrově téměř 15 %. Vlivem čerpání viskoznější kapaliny se tedy účinnost o 15 % oproti čerpání vody.

Obr. 5 - Přepočtené charakteristiky čerpadla pro viskózní kapalinu (červená)

Často se pro maloplošné solární soustavy používají tzv. instalační jednotky, obsahující potřebné armatury, teploměry, pojistná zařízení a oběhové čerpadlo. Instalační jednotky se používají pro široký rozsah velikosti solárních soustav. Čerpadlo je proto zpravidla předimenzované (podobně jako u plynových kotlů), aby "utáhlo" i tu největší soustavu v daném rozsahu. Je nutné ověřit, zda čerpadlo instalační jednotky je svými parametry pro danou potrubní síť solární soustavy vhodné, a případně jej vyměnit za menší, aby nedocházelo ke zbytečně vysoké spotřebě elektrické energie v provozu.

ZÁVĚR

Hydraulika solárních soustav má svá specifika, která musí být při návrhu zohledněna. Pro výpočet tlakových ztrát solárních soustav s nemrznoucími kapalinami nejsou dostatečně bohaté podklady jako pro vodní soustavy (neznalost součinitelů místní tlakové ztráty, výrazná změna viskozity s ředěním nemrznoucí směsi, výrazná teplotní závislost viskozity) a výpočet se tedy může výrazně odlišovat od skutečnosti.

Při návrhu hydrauliky je zvlášť nutné dbát na nízkou spotřebu elektrické energie pro pohon oběhových čerpadel. Toho lze dosáhnout vhodným návrhem potrubní sítě s nízkou tlakovou ztrátou a volbou vhodného čerpadla nepředimenzovaného vzhledem k pracovnímu bodu soustavy. Výrazně nízká účinnost malých oběhových čerpadel (5 až 15 %) je výzvou pro výrobce čerpadel do budoucna nejen v oblasti solární techniky.

LITERATURA
[1] Laboutka, K., Suchánek, T.: Výpočtové tabulky pro vytápění (sešit projektanta č. 9). Společnost pro techniku prostředí, Praha 2001.
[2] Kramoliš, P., Vrtek, M.: Tabulky pro stanovení hydraulické ztráty třením v kruhovém potrubí a hydraulické ztráty místními odpory při proudění teplonosné kapaliny SOLAREN. Technické vydavatelství Praha, 2004.
[3] Matuška, T.: Projekt IGS ČVUT 2005 č. CTU 0511412. Optimalizace solárního kolektoru pro kombinované soustavy vytápění a chlazení. ČVUT 2005.
[4] Matuška, T., Šourek, B.: Energetické zisky a ztráty solárních soustav. Konference vytápění Třeboň 2005. Společnost pro techniku prostředí, Praha 2005.
[5] Bláha, J., Brada, K.: Příručka čerpací techniky. Vydavatelství ČVUT, Praha 1997.