Trendy v solární tepelné technice (I) - Kombinované solární soustavy

ÚVOD

Termín solární technika zahrnuje širokou oblast aplikací využívajících sluneční energii pro různé účely, nejčastěji jako zdroj energie tepelné nebo elektrické. Oblast solární techniky je tedy možné v zásadě rozdělit na aplikace s fototermální přeměnou sluneční energie (solární tepelná technika) a aplikace s fotoelektrickou přeměnou (fotovoltaické a fotoelektrické články).

Solární tepelná technika využívá jak aktivních prvků a soustav, zpravidla strojních, jako jsou solární kolektory, oběhová čerpadla, atd., tak pasivních prvků a soustav, zpravidla stavebních, jako jsou zasklení, akumulační stěny, atd. V řadě aplikací se aktivní a pasivní prvky vhodně kombinují.

V tomto a v navazující řadě článků se budu zabývat trendy ve vývoji a aplikacích solární tepelné techniky v oblasti aktivních solárních tepelných soustav pro přípravu teplé užitkové vody, vytápění a chlazení v objektech pro bydlení.

KOMBINOVANÉ SOLÁRNÍ SOUSTAVY

Solární soustavy pro přípravu teplé užitkové vody (TUV) jsou v Evropě již zavedenou technologií, nicméně stále přibývá solárních soustav využívajících sluneční energie i pro vytápění v přechodném období roku (přitápění). Trend byl nastartován především rozvojem výstavby nízkoenergetických a pasivních domů, u kterých se roční potřeba tepla na vytápění blíží roční potřebě tepla na přípravu TUV. Do budoucna se předpokládá, že solární soustavy pro vytápění a přípravu TUV se budou podílet na celkové instalované ploše kolektorů cca 20 % [1].

Obr. 1 Schéma solární kombinované soustavy

Solární soustavy pro vytápění a přípravu TUV se vyznačují nejčastěji sdruženým (kombinovaným) akumulačním zásobníkem (viz obr. 1). Teplonosnou látkou akumulačního zásobníku je otopná voda pro vytápění. Užitková voda se ohřívá otopnou vodou přes teplosměnnou plochu (vnitřní trubkový výměník, plovoucí zásobník, příp. vnější deskový výměník). Odtud plyne termín "kombinovaná solární soustava", zkráceně solární kombi-soustava (angl. termín combisystem).

Kombinované solární soustavy se navrhují běžně na pokrytí potřeby tepla nízkoenergetického domu v přechodovém období, což vede k vyšší ploše solárních kolektorů a vyššímu objemu akumulačního zásobníku. Podle požadovaného pokrytí potřeby tepla sluneční energií (solární podíl, solární pokrytí) se jedná zhruba o 2 až 3-násobek oproti běžné solární soustavě pro TUV, pro nízkoenergetické domy běžné velikosti (150 až 200 m² vytápěné podlahové plochy) se jedná o akumulační zásobníky s objemem 500 až 1000 l a plochu selektivních solárních kolektorů 10 až 25 m².

Předimenzovaný objem akumulačního zásobníku vzhledem k denní potřebě TUV (několikadenní akumulace) spolu s odpovídající plochou kolektorů má výhodu ve výrazném zvýšení solárního podílu na přípravu TUV během roku z běžných 60 % až na 80 %. Na druhou stranu dochází v letním období k výrazným přebytkům tepla ze solárních kolektorů. Pokud není k dispozici smysluplný spotřebič tepla (je otázkou do diskuze, za jakých podmínek je jím bazén u nízkoenergetického domu), jsou přebytečné solární zisky mařeny v kolektorech. To vede k jejich přehřívání (stagnační stav kolektoru), varu a odpaření teplonosné látky (nemrznoucí směsi) v kolektoru a pronikání páry do potrubní sítě primárního okruhu solární soustavy a s tím spojeným provozním problémům. Z těch nejčastějších je to především degradace teplonosné látky, odvedení par teplonosné látky do okolního prostředí automatickým odvzdušňovacím ventilem nevhodně umístěným na výstup z kolektoru, nedostatečná teplotní odolnost izolace potrubí primárního okruhu a další. Nevyužité solární zisky samozřejmě vedou také k poklesu ekonomické efektivnosti solární soustavy vlivem poklesu měrných ročních zisků kolektorové plochy.

Obr. 2 Solární a stagnační podíl kombinované soustavy

Na obr. 2 je uvedena křivka závislosti solárního podílu f (-) a stagnačního podílu b_st (-) na ploše solárních kolektorů u solární kombinované soustavy s akumulačním zásobníkem o objemu 600 l pro nízkoenergetický dům s měrnou roční potřebou tepla 49 kWh/m² (vytápěná plocha domu 154 m²) a průměrnou potřebou teplé užitkové vody 200 l/den. Solární selektivní kolektory (α / ε = 0,95 / 0,05) jsou instalovány na střeše se sklonem 45° a orientací na jih.

Solární podíl je definován vztahem

(1)

kde Q_a (kWh/r) je energie z dodatkového zdroje tepla potřebná pro zajištění roční potřeby tepla Q_d (kWh/r) na vytápění a přípravu TUV.

Stagnační podíl je definován jako

(2)

kde t_s (h/r) je roční doba trvání stagnace a t_run (h/r) je roční doba chodu oběhového čerpadla. Z obr. 2 je zřejmé, že při ploše solárních kolektorů 10 m² bude celkový solární podíl na vytápění a přípravu TUV dosahovat 36 % a doba trvání stagnačních podmínek bude zhruba 18 % z teoretické doby chodu oběhového čerpadla (260 h/r). V grafu na obr. 3 je uvažovaný případ znázorněn z hlediska bilance energie v jednotlivých měsících roku. Plocha pod šedou křivkou je potřeba tepla na vytápění a přípravu TUV během roku, plocha pod žlutou křivkou jsou využitelné solární zisky a červeně vyšrafovaná plocha jsou nevyužitelné (mařené) solární zisky.

Obr. 3 Energetická bilance uvažované kombinované soustavy

TRENDY V SOLÁRNÍ TEPELNÉ TECHNICE

Základními požadavky kladenými na solární tepelné soustavy pro zásobování objektů pro bydlení teplem jsou snaha o dosažení co nejvyššího pokrytí potřeby tepla sluneční energií (solární podíl), zajištění provozní bezpečnosti, spolehlivosti a dostatečné životnosti zařízení, a stále více se projevují i hlediska komfortu (estetický vzhled solárních soustav, tepelná pohoda v budovách). Současně s těmito požadavky je samozřejmá snaha o snižování ekonomických a energetických nároků na výrobu prvků solárních soustav, snižování montážních prací a provozních nákladů. Z těchto požadavků vyplývají i současné trendy vývoje v oblasti solární tepelné techniky:

• zvyšování účinnosti solárních kolektorů - pokročilá zasklení a nové absorpční povrchy
• integrace solárních kolektorů do obálky budovy
• pokročilé zásobníky tepla (stratifikace, fázová změna)
• využití sluneční energie pro chlazení budov (solární chlazení)

Jednotlivými tématy se budu zabývat podrobněji v následujících samostatných článcích.

LITERATURA
[1] Altener 2000 Project - Solar combisystems. Final report. May 2003.