Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Dimenzování solárních soustav (I)

Obecný postup

Dimenzováním solárních soustav se obecně rozumí určení plochy a počtu solárních kolektorů. Z plochy solárních kolektorů se pak odvíjí návrh dalších prvků solární soustavy (dimenze potrubí, objem expanzní nádoby, typ oběhového čerpadla, atd.).

Solární soustavy je možné obecně rozdělit podle účelu:

  • příprava teplé vody
  • kombinované soustavy pro vytápění a přípravu teplé vody
  • ohřev bazénové vody
  • průmyslové aplikace (technologie, procesní teplo)
  • chlazení a klimatizace
  • sezónní akumulace tepla

V následujícím seriálu se budeme zabývat návrhem plochy solárních kolektorů pro tři nejběžnější typy solárních soustav (příprava teplé vody, vytápění a ohřev bazénové vody). Dimenzování průmyslových solárních soustav je velmi různorodé, vždy se jedná o originální řešení a nelze použít univerzální postupy (velmi odlišné profily potřeby tepla). Dimenzování solárních soustav pro chlazení a klimatizaci závisí výrazně na použitém typu cyklu (uzavřený, otevřený, absorpční, adsorpční). Návrh solárních soustav s dlouhodobou akumulací tepla vyžaduje použití tabulkového procesoru z důvodu nutnosti iteračního řešení návrhu plochy kolektorů a velikosti zásobníku (rozsáhlý výpočet).

Plocha solárních kolektorů se určuje pro referenční den období, ve kterém je požadováno pokrytí potřeby tepla solární soustavou. U výše uvedených tří typů solárních soustav se stanovuje denní potřeba tepla Qp, denní dávka sluneční energie HT,den na 1 m2 uvažované plochy kolektoru (sklon, orientace), průměrná účinnost solárního kolektoru ηk během daného dne, denní měrný tepelný zisk qk z 1 m2 kolektoru pro pokrytí potřeby tepla a následně potřebná plocha solárních kolektorů Ak.

Potřeba tepla Qp

Při bilancování potřeby tepla je kromě čisté denní potřeby tepla Qp [kWh/den] nutné uvažovat i denní tepelné ztráty solární soustavy (potrubí, zásobník) Qz [kWh/den]. Míra tepelných ztrát se vyjadřuje zpravidla přirážkou na tepelné ztráty p.

Hodnota přirážky na tepelné ztráty solární soustavy záleží na typu aplikace: u běžných solárních soustav, např. pro přípravu teplé vody nebo vytápění, se přirážka pohybuje mezi 5 až 15 %, ale např. u sezónní akumulace pro 100% pokrytí tepla na vytápění jsou hodnoty p > 50 %). Celková denní potřeba tepla Qpc [kWh/den] je potom

Skutečná denní dávka sluneční energie HT,den na plochu kolektoru

Pro stanovení sluneční energie dopadlé na plochu kolektoru během dne určeného referenčního období (denní dávka slunečního ozáření, denní dávka sluneční energie) je nutné znát teoretickou denní dávku ozáření plochy HT,den,teor [kWh/m2.den]. V podstatě jde o energii přímého slunečního záření dopadlou během dne bez jakékoli oblačnosti na danou plochu. Teoreticky je možné hodnotu HT,den,teor získat integrací slunečního ozáření (výkonu) GT [W/m2] dané plochy od východu τ1 do západu τ2 Slunce (viz obr. 1), tj. za teoretickou dobu slunečního svitu τteor


Obr. 1 - Průběh slunečního ozáření GT při jasném dni

Hodnoty GT je možné stanovit teoreticky výpočtem z geometrie slunečního záření vycházejícím ze solární konstanty. Prakticky se hodnoty HT,den,teor odečítají z tabulek určených pro danou oblast. Hodnoty HT,den,teor vhodné pro ČR jsou tabelované například v literatuře [1, 2] pro různé sklony a orientace uvažované plochy a různé oblasti (horské oblasti, venkov, město, průmyslové oblasti). Na obr. 2 jsou uvedeny roční průběhy teoretické denní dávky slunečního ozáření na různě skloněné plochy.

Z teoretické doby slunečního svitu, tj. časového úseku mezi východem a západem Slunce, je možné stanovit také střední denní sluneční ozáření GT,stř [W/m2]

Tabelované hodnoty GT,stř pro různé sklony a orientace uvažované plochy a různé oblasti je možné nalézt v literatuře [1, 2].

Skutečná denní dávka ozáření plochy HT,den [kWh/m2.den] je dána vztahem

kde τr [-] je poměrná doba slunečního svitu a HT,den,dif [kWh/m2.den] je denní dávka difúzního slunečního ozáření. Poměrná doba slunečního svitu τr [-] se určuje z dlouhodobých průměrů na základě skutečné doby slunečního svitu, tedy doby s přímým slunečním zářením (měření slunoměrem nebo dvojicí pyranometrů)

Skutečná doba slunečního svitu je závislá na ročním období s charakteristickou oblačností. V ČR se hodnoty τskut pohybuje v rozmezí od 1700 do 2200 h/rok (odpovídají zhruba roční době provozu solárních soustav). Měsíční hodnoty poměrné doby slunečního svitu τr jsou pro různá města ČR tabelovány v literatuře [1, 2].


Obr. 2 - Roční průběh teoretické denní dávky slunečního ozáření
na různě skloněné plochy (orientace jih).

Měrný tepelný zisk z kolektorů qk

Denní měrný tepelný zisk z kolektorů qk [kWh/m2.den] podle vztahu

vychází z průměrné denní účinnosti solárního kolektoru ηk [-] a skutečné denní dávky slunečního ozáření HT,den [kWh/m2.den]. Účinnost solárního kolektoru se stanoví z rovnice

kde tm [°C] je střední teplota teplonosné látky v kolektoru, te [°C] je teplota vzduchu v okolí kolektoru a G [W/m2] je sluneční ozáření přední strany kolektoru. Parametry solárního kolektoru, tzn. hodnotu optické účinnosti ηo [-], lineárního součinitele tepelné ztráty α1 [W/m2.K] a kvadratického součinitele tepelné ztráty kolektoru α2 [W/m2.K2] by měl poskytnout výrobce nebo dodavatel kolektoru, případně zkušebna (součást protokolu, osvědčení o certifikaci). Pro stanovení průměrné denní účinnosti je nutné uvažovat průměrné denní hodnoty veličin v rovnici účinnosti

kde GT,stř [W/m2] je střední denní sluneční ozáření uvažované plochy kolektoru (sklon, orientace), tm [°C] je průměrná teplota teplonosné látky v solární soustavě (kolektoru) v průběhu dne v závislosti na aplikaci (tm je nutné zvolit podle typu soustavy, zkušenosti z jiných podobných soustav) a tes [°C] je průměrná venkovní teplota v době slunečního svitu [1, 2].

Určení plochy solárního kolektoru

Plocha solárních kolektorů Ak [m2] se stanoví pro zvolené charakteristické období, ve kterém chceme zajistit pokrytí potřeby tepla Qpc energetickým ziskem z kolektoru Qk podle vztahu

Počet solárních kolektorů se stanoví prostým vydělením vypočtené celkové plochy plochou jednoho kolektoru a výsledek se zaokrouhlí na celé číslo. U malých soustav do 5 kolektorů, kdy zaokrouhlení může činit desítky procent celkové plochy, je nutné uvážit zda zaokrouhlovat směrem nahoru (pokud máme zajištěno využití vzniklých přebytků) nebo směrem dolů. U větších solárních soustav, kde se plocha 1 kolektoru pohybuje v řádech jednotek procent celkové plochy a méně, se konečný počet kolektorů může řídit požadovaným počtem kolektorů instalovaných paralelně v jedné skupině (podle dispozice na střeše nebo fasádě).

Literatura

[1] Cihelka, J.: Solární tepelná technika. Nakladatelství T. Malina, Praha, 1994.
[2] Brož, K., Šourek, B.: Alternativní zdroje energie. Skriptum ČVUT v Praze, 2003.

 
 
Reklama