Dimenzování solárních soustav (IV)

Stanovení tepelné ztráty a potřeby tepla bazénu

Dimenzování plochy solárních kolektorů pro ohřev bazénové vody silně ovlivňuje typ bazénu (venkovní, vnitřní), požadované parametry bazénové vody a způsob omezování tepelných ztrát bazénu (zakrývání). U venkovních otevřených bazénů se uvažuje návrhová teplota bazénové vody t_w = 18 až 25 °C a provoz v letním období (od května do září). Sluneční záření dopadající na vodní hladinu je možné zahrnout do energetické bilance. U venkovních sezónních bazénů je možné využít nezasklené solární kolektory (plastové rohože) s optimálním sklonem 15° až 30°. U vnitřních krytých bazénů je nutné uvažovat vyšší návrhovou teplotu bazénové vody t_w = 25 až 28 °C a zpravidla celoroční provoz, který vyžaduje použití zasklených solárních kolektorů s optimálním sklonem 30° až 50°. Nízké teploty bazénové vody znamenají vysokou účinnost solárních kolektorů a vysoké tepelné zisky. Teploty není výhodné příliš zvyšovat, neboť:

• roste spotřeba tepla
• bazén přestává být osvěžující
• studie prokázaly, že kolísání teploty bazénové vody s venkovní teplotou nemá zvláštní vliv na kolísání návštěvnosti bazénu (u venkovních bazénů)

Při ohřívání vody v bazénech je potřeba dodávat teplo pro:

• hrazení tepelných ztrát přestupem z vodní hladiny (sálání, proudění, vypařování)
• hrazení tepelných ztrát prostupem tepla stěnami bazénu (pod úrovní vodní hladiny),
• ohřívání přiváděné čisté vody (náhrada ztrát vody - vystříkání, vynášení na tělech plavců, voda pro praní filtrů)

Tepelná ztráta prostupem stěnami bazénu je většinou velmi malá a proti tepelné ztrátě přestupem z vodní hladiny ji lze většinou zanedbat. Tepelná ztráta přestupem z vodní hladiny se stanoví ze vztahu

kde α_celk [W/m².K] je celkový součinitel přestupu tepla z vodní hladiny, S [m²] je plocha vodní hladiny bazénu, t_w [°C] je teplota vody v bazénu a t_v [°C] je teplota okolního vzduchu. U venkovního bazénu se za teplotu vzduchu dosazuje venkovní teplota t_e, u krytého bazénu se použije hodnota vnitřní teploty t_i. Na přestupu tepla z vodní hladiny se podílí sálání, proudění (konvekce) a vypařování. Celkový součinitel přestupu tepla z vodní hladiny je dán součtem

kde α_s [W/m².K] je součinitel přestupu tepla sáláním (volí se α_s = 5 W/m².K), zvyšuje se s jasností oblohy, α_k [W/m².K] je součinitel přestupu tepla konvekcí (α_k = 5 až 8 W/m².K pro vnitřní kryté bazény; α_k = 10 až 15 W/m².K pro venkovní otevřené bazény) a α_v [W/m².K] je součinitel přestupu tepla při vypařování vody z hladiny bazénu. Součinitel přestupu tepla při vypařování vody α_v závisí na součiniteli přestupu tepla konvekcí α_k a lze jej stanovit ze vztahu [1]

kde x"_w [kg/kg s.v.] je měrná vlhkost nasyceného vzduchu při teplotě bazénové vody t_w, x_v [kg/kg s.v.] je měrná vlhkost okolního vzduchu při teplotě t_v a relativní vlhkosti φ_{v, r} [J/kg] je výparné teplo vody (r = 2,4 . 10⁶ J/kg) a c_v [J/kg.K] je měrná tepelná kapacita vzduchu (c_v = 1010 J/kg.K). Pro detailní výpočet tepelné bilance bazénů odkazuji na [2]. Rozložení tepelných ztrát otevřeného bazénu vypadá zhruba následovně:

• konvekcí do okolí 10-20 %
• zářením vůči obloze 5-20 %
• vypařováním z vodní hladiny 50-80 %
• vedením do stěnami bazénu 2-5 %

Před vlastním návrhem plochy solárních kolektorů je vhodné zajistit opatření pro snížení tepelných ztrát. Zakrýváním hladiny během provozních přestávek plastovými foliemi s plováky lze eliminovat přestup tepla vypařováním a částečně snížit i přestup tepla sáláním a konvekcí. Celkově lze zakrýváním vodní hladiny snížit tepelné ztráty o cca 50 %. U vnitřních bazénů má zakrývání vodní hladiny ještě další významný dopad a to snížení produkce vlhkosti v interiéru (menší potřeba odvlhčení, nižší riziko poruch stavebních konstrukcí). Zakrývací folie musí být odolná vůči UV záření (především u venkovních bazénů). U velkých veřejných bazénů je ekonomicky problematické zajistit zakrývání hladiny, často vychází levněji zvýšit plochu solárních kolektorů.

Kromě tepelných ztrát se do energetické bilance potřeby tepla bazénu promítají také tepelné zisky, jejichž zdrojem může být přímo dopadající sluneční záření (u venkovních bazénů), teplo uvolněné z oběhových čerpadel či teplo předávané plavci (100 až 250 W/os). Nejvýznamnější z výše uvedených jsou tepelné zisky pohlcením slunečního záření dopadajícího na vodní hladinu. Výpočet energie zachycené osluněnou vodní hladinou je obdobný jako u slunečních kolektorů. Uvažuje se pouze stálá účinnost absorpce slunečního záření vodou η_a = 0,85 (ztráty odrazem od hladiny 15 %), neboť tepelné ztráty bazénu do okolí jsou již zahrnuty v tepelné ztrátě přestupem z vodní hladiny.

Denní potřebu tepla je nutné stanovit v závislosti na provozu bazénu a rozdělit výpočet na časový úsek, kdy je bazén v provozu τ_d (ve dne, doba se slunečním svitem, zisky od pohlceného slunečního záření u venkovního bazénu) a na časový úsek, kdy je bazén mimo provoz τ_n (noc, doba bez slunečního svitu, zakrývání hladiny), případné další úseky potřebné pro výpočet.

Bilanci potřeby tepla ve dne (bazén v provozu) je možné psát jako

kde v případě venkovního bazénu teplota vzduchu t_v = t_es (průměrná teplota v době slunečního svitu), H_den [kWh/m²] je denní dávka slunečního ozáření horizontální plochy (vodní hladiny) a η_a [-] je pohltivost slunečního záření vodní hladinou (η_a = 0,85); v případě vnitřního bazénu teplota vzduchu t_v = t_i (vnitřní teplota v bazénové místnosti) a η_a = 0 (bez zisků od slunečního záření).

Bilanci potřeby tepla v noci (bazén mimo provoz) se sestaví obdobným způsobem

kde v případě vnitřního bazénu teplota vzduchu t_v = t_i (vnitřní teplota v bazénové místnosti); v případě venkovního bazénu teplota vzduchu t_v = t_en, která je definovaná jako průměrná venkovní teplota v době bez slunečního svitu. Teplotu t_en je možné přibližně stanovit z průměrné denní venkovní teploty t_ep (v příslušném měsíci) a průměrné venkovní teploty v době slunečního svitu t_es

Pozn.: Výpočet je pro názornost výkladu zjednodušený, bilance potřeby tepla slučuje dobu provozu bazénu s dobou slunečního svitu (viz výše).

Celková potřeba tepla pro ohřev bazénové vody se stanoví ze vztahu

kde p [-] je přirážka na tepelné ztráty solární soustavy (uvažují se cca 5 %).

Stanovení plochy solárních kolektorů

Dimenzování plochy se provádí pro měsíc, ve kterém je požadavek na pokrytí potřeby tepla sluneční energií podle postupu uvedeného v [3]. Střední teplota teplonosné látky v kolektoru se volí t_m = 30 až 35 °C (podle typu bazénu).

Je-li solární soustava projektována pro venkovní bazén, přípravu teplé vody a/nebo podporu vytápění, je třeba potřebné plochy kolektorů pro ohřev bazénové vody a přípravu teplé vody sečíst. Nepřičítá se plocha kolektorů pro vytápění. V létě dodává solární soustava teplo pro venkovní bazén, v zimě pro vytápění. Teplá voda je připravována po celý rok.

Tabulka 1 - Orientační hodnoty návrhu plochy solárních kolektorů pro bazény

V tabulce 1 jsou uvedeny orientační hodnoty návrhu plochy běžných selektivních solárních kolektorů vycházející z výpočtů na základě výše uvedeného postupu. Pro projekční stanovení plochy a počtu solárních kolektorů je nutné provést výpočet s konkrétními parametry.

Literatura

[1] Cihelka, J.: Solární tepelná technika, Nakladatelství Malina 1994.
[2] Schwarzer, J.: Návrh a dimenzování VZT pro bazény. Portál TZB-info 2007.
[3] Matuška, T.: Dimenzování solárních soustav I - obecný postup, Portál TZB-info 2007.