Návrh slnečného energetického systému na prípravu teplej vody

1. Úvod

V príklade nižšie sú uvedené postupy na návrh menších zariadení so slnečnými kolektormi. Na správny návrh väčších slnečných energetických systémov (SES) s veľkými kolektorovými plochami alebo solárne elektrárne, sa odporúča v kombinácii softvér – dodávateľ. V takom prípade zadávame do výpočtového programu presné parametre zvoleného systému a výstup kontrolujeme s postupom uvedeným od dodávateľa. Ide hlavne o systémy, kde sa zapája viacero kolektorových polí, prípadne je potrebné navrhnúť správne krytie odberových špičiek, ako napr. v bytových domoch, športových halách a podobne.

Menšie systémy so slnečnými kolektormi, napríklad v rodinných domoch, možno navrhnúť prakticky bez výpočtu, nakoľko tu vstupuje faktor možnej plochy na osadenie kolektorov na streche, výška investičných nákladov a ekonomika investície (návratnosť SES). Pri takýchto inštaláciách zväčša postačuje projektantovi TZB konzultácia s investorom, prípadne s dodávateľom SES.

Návrhom SES uvedeným v tomto príspevku môžeme pomerne rýchlo a správne navrhnúť funkčný SES, použitím tabuľkového programu (napr. Excel). Výsledkom výpočtov bude graf krytia energie pre ohrev teplej vody od SES v jednotlivých mesiacoch roka. Výsledok predpokladá zostaviť celoročnú (alebo sezónnu) tepelnú bilanciu kolektorov – tzn. určiť množstvo energie zachytenej kolektormi, potrebnú plochu a počet kolektorov v jednotlivých mesiacoch roka.

2. Príklad návrhu slnečného energetického systému na prípravu teplej vody

Navrhneme bivalentný slnečný energetický systém na celoročnú prípravu teplej vody (TV) v rodinnom dome, ak denná potreba teplej vody je 300 litrov, studená pitná voda sa ohrieva z θ₁ = 5 °C na teplotu TV θ₂ = 45 °C. Kolektory budú orientované na juh pod sklonom α = 45°. Stredná teplota teplonosnej látky v kolektore bude θ_m = 50 °C. Rodinný dom je situovaný v lokalite Bratislava.

2.1 Denná potreba tepla a energie na ohrev TV

Na výpočet dennej potreby tepla na ohrev TV je potrebné určiť hustotu teplonosnej látky ρ_W pri strednej (priemernej) teplote TV v zásobníku θ_str , ktorá sa vypočíta takto:

Pre hodnotu θ_str = 25 °C určíme hustotu teplonosnej látky ρ_W(25) :

Potrebou tepla na prípravu TV sa myslí teoretické množstvo energie, ktoré treba dodať TV, aby sa ohriala na požadovanú teplotu, pričom tu nie sú započítané straty z rozvodných potrubí TV, straty prechodom tepla cez steny zásobníkového ohrievača TV, ani straty vznikajúce pri výrobe tepla. Zjednodušenou metódou možno vypočítať potrebu tepla na prípravu TV takto:

Pre dennú potrebu tepla na ohrev teplej vody Q_W z rovnice (2) je potrebné zohľadniť tepelné straty na rozvodoch, čím zjednodušene určíme dennú potrebu energie na ohrev TV nasledovne:

kde je

θ_str

stredná teplota teplonosnej látky v zásobníku TV [°C],

ρ_W

hustota pri strednej teplote teplonosnej látky, v našom prípade pre 25 °C [kg/m³],

c_W

špecifická tepelná kapacita teplonosnej látky [J/kg.K],

V_W

denná spotreba teplej vody [m³],

η_dis,TV

účinnosť podsystému rozvodu tepla, v našom prípade odhadované straty potrubí teplej vody okruhu medzi zásobníkom a výtokovou armatúrou. Volíme v rozsahu 5 až 50 % = 0,05 až 0,5 [–].

Podľa hodnoty z rovnice (3) budeme dimenzovať plochu slnečných kolektorov. Táto metóda výpočtu potreby energie na ohrev TV je zjednodušená, určená na výpočet potrebnej plochy kolektorov. Na presnejšie určenie potreby energie na ohrev TV je potrebné započítať aj ostatné straty podsystémy ohrevu TV v zmysle STN EN 15316-4-1 [1].

2.2 Tepelná bilancia kolektorov

Vzhľadom na premenlivosť dostupnosti energie slnečného žiarenia, a tým aj nerovnomerného množstva zachytenej tepelnej energie slnečnými kolektormi, sa celková plocha kolektorov stanovuje pre najpriaznivejší a najnepriaznivejší mesiac predpokladaného obdobia ich využívania. O veľkosti kolektorovej plochy ďalej rozhoduje dispozičný priestor osadenia kolektorov a výška investičných nákladov. Rozhodujúcim kritériom je podiel energie zachytenej slnečným kolektorom s absorbčnou plochou 1 m² za určitú dobu (letné, prechodné alebo ako v našom príklade celoročné obdobie).

Nasledujúce výpočty pozostávajú zo stanovenia potrebných plôch kolektorov pre jeden mesiac v roku (napr. najnepriaznivejší) z hľadiska teoreticky možného množstva energie slnečného žiarenia Q_s,deň,teor dopadajúceho za deň na kolektory orientované na juh pre zadanú lokalitu.

a) Vzorový ručný výpočet pre jeden mesiac – napr. najnepriaznivejší 12. mesiac

Podľa dostupných údajov pre danú lokalitu odčítame teoretické množstvo energie Q_s,deň,teor

a priemerný mesačný relatívny svit s_m

Potom skutočné množstvo dopadajúcej energie slnečného žiarenia pre priemerný deň v XII. mesiaci bude

Priemerná mesačná teplota v čase slnečného svitu θ_a je pre zadanú lokalitu

a stredná intenzita slnečného žiarenia IC_str :

Následne vypočítame účinnosť kolektora v najnepriaznivejšom mesiaci η_k nasledovne

kde je

r

reflexná schopnosť krycích skiel, volíme podľa druhu a hrúbky skla v rozpätí od 0,1 až do 0,15 [–],

U

celkový súčiniteľ prechodu tepla, volíme podľa druhu kolektora: U = 6,0 [W/(m².K)] pre plochý kolektor s jedným sklom, U = 4,0 [W/(m².K)] pre plochý kolektor s dvomi krycími sklami alebo U = 2,0 až 2,5 W/(m².K) pre kolektory s vákuovou tepelnou izoláciou. V našom prípade budeme navrhovať konkrétny kolektor VIESSMANN VITOSOL 100-FM, typ SV1F, z projekčných podkladov U = 3,849 W/m².K,

Δθ

rozdiel teplôt medzi strednou teplotou teplonosnej látky v kolektore θ_m a teplotou okolitého vzduchu θ_a [°C].

Skutočné množstvo energie, ktorú zachytí kolektor s absorpčnou plochou 1 m² a s vypočítanou účinnosťou, získame pre najnepriaznivejší mesiac takto:

Celková plocha kolektorov S_k – uvedeným výpočtom získame potrebnú plochu kolektorov pre 100% pokrytie dennej potreby tepla na ohrev TV v najnepriaznivejšom mesiaci:

kde je

η_dis,SES

účinnosť podsystému rozvodu tepla, v našom prípade odhadované straty potrubí kolektorového okruhu medzi zásobníkom a kolektormi. Volíme v rozsahu 5 až 15 % = 0,05 až 0,15 [–].

Počet kolektorov v najnepriaznivejšom mesiaci december:

Obdobne by sme vypočítali aj ostatné mesiace v roku, napr. v najpriaznivejšom mesiaci jún, by celková plocha kolektorov predstavovala hodnotu 4,3 m². Výsledky si zhrnieme do Tab. 1.

2.3 Súhrn výpočtov a výsledky

Pre návrh potrebného počtu slnečných kolektorov zvolíme počet kolektorov tak, aby sme pokryli na 100 % mesiace apríl až september. Výsledkom bude návrh 4 ks plochých slnečných kolektorov typu napr. VIESSMANN VITOSOL 100-FM, typu SV1F [2], s celkovou absorbčnou plochou S_k,c = 4 × 2,31 m² = 9,24 m².

Tabuľka 1. Výsledky výpočtov [autor]

Obr. 1. Grafy krytia ohrevu teplej vody od SES a zdroja tepla [autor]. Vľavo – pre priemerný deň v mesiaci, vpravo – za mesiac.

3. Záver

Bližšie k uvedenému výpočtu, vysvetlivky, tabuľky ako aj odporúčania a návrh väčšieho SES s radením do kolektorových polí a i., je dostupné v monografii „OZE-SES“ v literatúre [3].

5. Literatura

1. STN EN 15316-4-3 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinností systému. Časť 4-3: Systémy výroby tepla, tepelné slnečné systémy
2. VIESSMANN Solárne termické systémy – Návod na projektovanie, Kuliaček, P., Viessmann, Bratislava, 2018
3. Skalík, L.: Obnoviteľné zdroje energie: slnečné energetické systémy. Bratislava : Spektrum STU, 2022. 305 s. ISBN 978-80-227-5222-0

Poďakovaní

Táto práca bola podporovaná Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0475/24 a VEGA 1/0118/23.