Dimenzování solárních soustav (II)
Příprava teplé vody
Nejefektivnější a tedy i nejčastěji vyskytující se využití solárních kolektorů slouží k pokrytí potřeb teplé vody. Jak dimenzovat solární soustavu u různých typů objektů s různorodou potřebou teplé vody? Odpověď je předmětem následujícího článku.
Využití sluneční energie pro přípravu teplé vody má vysoký potenciál vzhledem k relativně rovnoměrnému průběhu potřeby teplé vody během roku. Aby byla instalace solární soustavy pro přípravu teplé vody efektivní, je nutné ještě před vlastním návrhem solární soustavy v první řadě omezit spotřebu teplé vody a tepla na její přípravu řadou úsporných opatření:
- úspornými výtokovými armaturami
- minimalizací délky rozvodů teplé vody
- omezením tepelných ztrát rozvodů teplé vody a cirkulace
- omezení běhu cirkulace na nezbytně nutnou dobu, případně využití regulace cirkulace na základě teplotních čidel
- u dlouhých a rozvětvených tras rozvodů teplé vody a cirkulace je nutné hydraulické vyvážení
Potřeba tepla na přípravu teplé vody
U stávajících budov je nutné vycházet ze skutečné spotřeby teplé vody v objektu. Tu je možné zjistit dlouhodobým měřením na patě objektu (nejlépe se zohledněním její teplotní úrovně, měření potřeby tepla). Vhodné je získat souhrnné údaje o spotřebě energie na přípravu teplé vody za určité období (alespoň 1 poslední rok), v horším případě alespoň provést několik celodenních měření příložnými průtokoměry na patě objektu.
U novostaveb, kde nejsou k dispozici reálná data, nezbývá než použít s velkou opatrností směrných hodnot z literatury. Pro určení potřeby tepla pro návrh solární soustavy pro přípravu teplé vody je problematické použití stávající normy určené pro návrh zařízení pro přípravu teplé vody [1]. Návrhové hodnoty uvedené v normě jsou určeny pro návrh zdroje teplé vody a její bezpečné zajištění v daném objektu a jsou ze své podstaty vyšší než běžně dosahované. Pro orientaci jsou níže uvedeny hodnoty pro typické aplikace podle uvedené normy:
- bytové objekty: potřeba teplé vody 82 l/os.den (60 / 15 °C) odpovídající denní potřebě tepla QTV = 4,3 kWh/os.den
- administrativa: potřeba teplé vody 25 l/os.den (60 / 15 °C) odpovídající denní potřebě tepla QTV = 1,3 kWh/os.den
Praktická měření dokládají hodnoty spotřeby teplé vody výrazně nižší a vykazují velké rozdíly denní spotřeby při různém životním standardu, stáří, povolání osob, ročním období, atd. V tabulce 1 jsou uvedeny orientační hodnoty skutečné spotřeby teplé vody (60 / 15 °C) získané z různých zdrojů [2, 3, 4, 5].
| bytové objekty | |
|---|---|
| nízký standard | 10 až 20 l/os.den |
| střední standard | 20 až 40 l/os.den |
| vysoký standard | 40 až 80 l/os.den |
| hotely | |
| pokoj s vanou | 95-138 l/os.den |
| pokoj se sprchou | 50-95 l/os.den |
| hostely | 25-50 l/os.den |
Tabulka 1 - Praktické hodnoty spotřeby teplé vody
Z tabulky 1 je zřejmé, že hodnoty uváděné v [1] mohou být výrazně nadhodnoceny oproti běžně dosahovaným spotřebám. Omezení potřeby teplé vody v počáteční fázi návrhu solární soustavy a použití reálných hodnot potřeby tepla při dimenzování snižuje riziko neekonomicky předimenzované plochy kolektorů, případně velikosti zásobníku, nízkých měrných zisků solární soustavy a zabraňuje případným provozním problémům.
Pro návrh solární soustavy může být důležitý také roční profil spotřeby teplé vody, například s ohledem na letní dimenzování (přebytky tepla). Na obr. 1 jsou uvedeny orientační roční a denní profily spotřeby teplé vody v bytových domech získané z různých zdrojů.
Obr. 1 - Roční a denní měrný profil spotřeby teplé vody pro bytové domy (procentní rozložení)
Z ročního průběhu spotřeby TV v bytových domech je patrný letní pokles spotřeby teplé vody o cca 25 % oproti ročnímu průměru vlivem:
- školních prázdnin a dovolených uživatelů (změna 4 %)
- vyšší teploty studené vody v letním období (změna +/- 5 K, tedy o cca 14 %)
- různého chování uživatelů v různých obdobích (v letním období převažuje sprchování, v zimním období spíše "teplá vana")
Denní potřeba tepla na přípravu teplé vody Qpc [kWh/den] se stanoví z kalorimetrické rovnice
kde V [m3/den] je průměrná denní potřeba teplé vody v objektu, ρ [kg/m3] je hustota vody, c [J/kg.K] je měrná tepelná kapacita vody, t2 [°C] je požadovaná teplota teplé vody a t1 [°C] je teplota studené vody. Přirážka na tepelné ztráty p se u solárních soustav pro přípravu teplé vody volí v rozsahu od 5 do 15 %.
Stanovení plochy kolektorů
Solární soustavy pro celoroční přípravu teplé vody v rodinných domech se navrhují na měsíce duben a září. Střední teplota teplonosné látky v kolektoru se volí tm = 40 °C (zpravidla odpovídá průměrné teplotě v zásobníku teplé vody během celého roku). Návrh zajišťuje solární pokrytí přípravy teplé vody zhruba ze 60 až 70 % (v závislosti na poměru velikosti zásobníku teplé vody oproti denní potřebě). Objem zásobníku se navrhuje zhruba 1,5 až 2x větší než je denní potřeba teplé vody. Potřebná plocha solárních kolektorů se stanoví podle obecného postupu [6] jako
Z výsledných hodnot plochy kolektoru určených pro oba měsíce se stanoví průměr. Při volbě větší kolektorové plochy než je výpočet (vyšší pokrytí) je nutné zajistit smysluplné využití letních přebytků:
- ohřev bazénové vody,
- sušení palivového dřeva,
- sušení zahradních rostlin či plodin
U solárních soustav pro přípravu teplé vody v rodinných domech vychází potřebná plocha solárních kolektorů zpravidla do 6 m2 (v závislosti na potřebě teplé vody).
U návrhu solárních soustav pro přípravu teplé vody v bytových domech je zásadní omezující podmínkou skutečnost, že bytové domy nemají k dispozici v letním období žádný "spotřebič tepla" pro využití letních přebytků. Dimenzování solární soustavy je tak omezeno plochou kolektorů pro krytí letní potřeby teplé vody [7]. Předimenzované solární soustavy pro bytové domy mohou vést k provozním problémům spojeným v letním období se stagnací (var teplonosné látky v kolektorech, pronikání přehřáté páry do rozvodů, nebezpečí poškození i prvků vzdálených od kolektorového pole) a ke snížení měrných ročních zisků solárních kolektorů qk [kWh/m2.rok], které jsou u bytových domů více zohledňovány z důvodu sledování ekonomických parametrů instalace.
Solární soustavy pro přípravu teplé vody v bytových domech se proto navrhují pro měsíc červenec. Střední teplota v solárním kolektoru se opět volí tm = 40 °C. Návrh zajišťuje minimalizaci letních nevyužitelných přebytků energie a celoroční solární pokrytí potřeby tepla na přípravu teplé vody okolo 50 %. Zásobník teplé vody se navrhuje přibližně stejně velký jako denní potřeba teplé vody. Solární soustavy pro přípravu teplé vody v bytových domech jsou zpravidla velkoplošné soustavy s plochou solárních kolektorů od 50 do 500 m2.
Literatura
[1] ČSN 06 0320 Ohřívání užitkové vody - Navrhování a projektování. ČNI, 1998.
[2] Planning and Installing Solar Thermal Systems - a guide for installers, architects and engineers. James&James/Earthscan 2005. ISBN 1-84407-125-1
[3] Richtlinie VDI 2067, Blatt 4 - Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen; Warmwasserversorgung, 1982.
[4] Schertz, W.: Velká solární zařízení na obytných domech - dimenzování, regulace, stavba, Sborník 2. česko-rakouská solární konference Slunce 2003, Olomouc.
[5] Schröttner, J.: Solární soustavy pro velké spotřebitele, Portál ZO ČSOP Veronica, články z konference Slunce,
[6] Matuška, T.: Dimenzování solárních soustav I - obecný postup, Portál TZB-info 2007.
[7] Matuška, T.: Dimenzování solárních soustav pro bytové domy, Portál TZB-info 2007.
