Přímé využití sluneční energie – systémy využívající fototermální kapalinové kolektory II.
V článku jsou uvedena některá základní zapojení solárních soustav pro jednotlivé spotřebiče tepla (teplá voda, vytápění, bazén) a zjednodušený návrh potřebné plochy. U každého schématu je stručně popsána jeho funkce. V závěru jsou pak ještě naznačeny možné varianty napojení akumulačních nádob podle možností a požadavků na provoz solární soustavy.
2 Provedení některých solárních soustav pro využití sluneční energie
Základním požadavkem pro správné fungování solární soustavy je vhodná orientace kolektorového pole vzhledem ke světovým stranám. Ideální je orientace jižní s možným odklonem do 30°. Důležitý je také sklon kolektorů slunečního záření. Ten má vliv na tvar průběhu solárních energetických zisků (Obr. 2.1). Podle průběhu roční potřeby energie je potom možné volit i sklon kolektorů:
- celoroční provoz - optimální sklon 40° - 45°
- sezónní letní provoz - optimální sklon 25° - 35°
- zimní sezónní provoz - optimální sklon 60° - 90°
Ve většině instalací se kolektorové pole instaluje na střechu objektu. V některých případech je z architektonického, ale i z energetického hlediska výhodnější instalace na fasádu objektu.
| Instalace | výhody | nevýhody |
|---|---|---|
| střecha šikmá | kolektory se pokládají se stejným sklonem jako má střecha - jednoduchá montáž | orientace kolektorového pole je závislá na orientaci budovy |
| kolektory si navzájem nestíní | ||
| nižší náklady na nosnou konstrukci | ||
| Možnost integrace kolektorů přímo do střešního pláště (náhrada střešní krytiny) | ||
| střecha plochá | možnost libovolné orientace vzhledem ke světovým stranám | nosná konstrukce nákladnější |
| u větších kolektorových polí je třeba speciální roznášecí konstrukce | ||
| fasáda, bez integrace | kolektory se pokládají se stejným sklonem jako má fasáda nebo mohou být mírně přizvednuté (vytvoří stříšku) | orientace kolektorového pole je závislá na orientaci budovy |
| omezení letních přebytků, zvláště u solárních soustav pro vytápění | ||
| fasáda, integrované kolektory | omezení letních přebytků, zvláště u solárních soustav pro vytápění | orientace kolektorového pole je závislá na orientaci budovy |
| integrací převážně do zateplovacího systému se zlepší vlastnosti kolektoru (sníží se jeho tepelná ztráta) | ||
| pohledově přijatelné řešení i pro architekty, kolektor je součástí obálky budovy |
Tab. 2.1 Možnosti instalace kolektorů slunečního záření
Jak u novostaveb, tak u rekonstruovaných objektů nemusí být umístění kolektorového pole vázáno jen na střechu objektu. V některých případech je účelné umístit kolektory na zábradlí balkonů, jako stínící prvek nad okny nebo přímo na jižní fasádu objektu jako součást zateplovacího systému. Jsou to zejména případy, kdy je kladen hlavní požadavek na přitápění a tedy na rovnoměrnost energetických zisků v průběhu roku (Obr. 2.1). Při instalaci kolektorů do svislé polohy (právě na fasádu nebo balkónové zábradlí) je snížen rozdíl energetických zisků léto - zima; ovšem za cenu poklesu celkového ročního energetického zisku ve srovnání se stejnou plochou se sklonem optimálním pro celoroční provoz.
Obr. 2.1 Příklad energetických zisků z 1 m2 při různém sklonu osluněné plochy (kolektoru)
Obr. 2.2 Roční dávky slunečního záření na různě orientované (vodorovná osa)
a různě skloněné (svislá osa) plochy v ČR [kWh/m2]
V případě využití kombinované soustavy (TV, přitápění) je nezbytné při projektových pracích počítat s přizpůsobením topné soustavy soustavě solární zejména z hlediska teplotního spádu.
Důležité je také zohlednit dynamiku tepelného chování stavby při výběru otopné soustavy. Například u pasivních domů s malými tepelnými ztrátami je nevhodné použít pouze podlahové vytápění pro jeho dlouhou odezvu na regulační zásah (při náhlém oslunění interiéru dochází k přetápění).
Dále je třeba zvážit možnost využití získané tepelné energie v letních měsících. Je-li například solární soustava navržena jen pro přitápění, bude v letních měsících obrovský přebytek energie. Proto se solární soustavy pro přitápění doporučuje navrhovat hlavně tam, kde součástí objektu je velká akumulační hmota, vytápěný bazén provozovaný v přechodovém a letním období nebo jiné využití tepelné energie mimo topné období.
2.1 Rozdělení solárních soustav
Solární soustavy pro celoroční provoz lze rozdělit podle mnoha kritérií. Jedním z nich je i způsob provozu solárního systému z hlediska teplonosné látky:
a) standardní systém (high flow) - systém s vysokým průtokem,
kolektory: standardní sluneční kolektory (plochý selektivní, vakuový nebo trubicový)
průtok: cca 50 l /h.m2 kolektorové plochy
použití: celoroční příprava TV, přitápění objektu a ohřev bazénové vody
výhody: typizované soustavy pro rodinné domy, volně dostupné na tuzemském trhu
nevýhody: nutná nemrznoucí náplň kolektorů, která je však zdravotně nezávadná a biologicky odbouratelná, pomalý ohřev zásobníku na žádanou teplotu
Partneři projektu TZB-info 2010 - Regenerace bytových domů
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
b) low-flow systém - systém s nízkým průtokem
kolektory: standardní sluneční kolektory (plochý selektivní, vakuový nebo trubicový)
speciální sluneční kolektory s rozšířenou vnitřní přestupní plochou
průtok: cca 20 [l /h.m2] kolektorové plochy
použití: celoroční příprava TV, přitápění domu a ohřev bazénové vody
výhody: volně dostupné na tuzemském trhu, vyšší výstupní teplota z kolektorů umožňující okamžité využití
nevýhody: nutná nemrznoucí náplň kolektorů, mírně nižší účinnost kolektorů vzhledem k vyšší průměrné pracovní teplotě (lze částečně eliminovat použitím vakuovaných kolektorů)
Při simulaci solárních soustav obou výše uvedených typů byly i přes nevýhodu vyšší průměrné teploty na kolektorech vyšší energetické zisky u low-flow systému a to i bez použití speciální stratifikační akumulační nádoby.
c) drain-back systém - systém s opakovaným vyprazdňováním kolektorů
kolektory: speciální kolektory, ale je možné použít i standardní sluneční kolektory
průtok: lze provézt jako high-flow i jako low-flow systém
použití: beztlaký systém, použití pro sezónní přípravu TV a ohřev bazénové vody
funkce: solární systém je vůči okolnímu prostředí uzavřen. Poklesne-li teplota v kolektoru pod úroveň teploty ve spodní části zásobníku, regulátor odstaví oběhové čerpadlo. Voda z kolektorů a horní části potrubí primárního (solárního) okruhu samospádem steče do rezervy zásobníku. V okamžiku, kdy teplota v kolektoru je vyšší než teplota ve spodní části zásobníku, regulátor oběhové čerpadlo sepne. To startuje při svých maximálních otáčkách, tlakem vody je vypuzen vzduch z kolektorů do prostoru v rezervě zásobníku. Po několika minutách regulátor přepne chod čerpadla na nižší otáčky (čerpadlo překonává již jen hydraulické ztráty)
požadavky na systém: rezerva zásobníku musí být umístěna pod úrovní nejnižší části slunečních kolektorů; připojovací porubí mezi rezervou, příp. zásobníkem TV a kolektory musí mít dostatečný spád pro odtok; minimální průměr potrubí na solárním okruhu musí být d = 15mm pro zajištění plynulého odvodu vzduchu. Oběhové čerpadlo musí mít dostatečnou výtlačnou výšku podle dispozice solárního systému
výhody: není nutná nemrznoucí náplň kolektorů. Voda jako pracovní látka v primárním okruhu má o 20 % vyšší tepelnou jímavost. Systém zaručuje automatickou ochranu před zamrznutím a přehřátím, odpadá zabezpečovací zařízení. Vzhledem k tomu, že se jedná o beztlaký systém, je možné použít levné plastové zásobníky
nevýhody: vyšší spotřeba el. energie na cirkulaci v systému (v porovnání s high-flow). Při cyklickém plnění a vypouštění trubek hrozí nebezpečí koroze při použití nevhodných materiálů. Dále je třeba instalace čerpadla s vyšší výtlačnou výškou
schéma zapojení:
Obr. 2.3 Příklad zapojení solární soustavy s vyprazdňováním (drain-back)
Ve všech následujících tabulkách je používáno následné číslování typů kolektorů:
plochý selektivní kolektor (1)
plochý vakuový kolektor (2)
trubicový vakuový kolektor (3)
2.2 B1. Solární soustava pro celoroční přípravu TV
Dimenzování objemu zásobníku TV
| Příprava TV | Potřebná plocha kolektorů (m2/osoba) | ||
|---|---|---|---|
| (1) | (2) | (3) | |
| Jedno- a dvougenerační dům | 1,50 | 1,10 | 0,80 |
| Obytný dům s více rodinami | 1,10 | 0,90 | 0,60 |
| Příprava TV | Zásobník TV (l/osoba) |
|---|---|
| Jedno- a dvougenerační dům | 70 (25)* |
| Obytný dům s více rodinami | 45 (20)* |
| * hodnoty v závorkách platí pro systém zapojení B1b. | |
Zapojení č. B1a (s bivalentním zásobníkem)
Obr. 2.4 Solární soustava s bivalentní akumulační nádobou
Technický popis:
Oběhové čerpadlo je umístěno na vstupu do kolektorů, aby nebylo namáháno vysokými teplotami. Na sání oběhového čerpadla je umístěn spirovent sloužící ke kontinuálnímu odlučování vzduchu ze systému (používá se většinou jen u velkých solárních soustav). U kolektorů v nejvyšším místě je instalován ruční odvzdušňovací ventil (odvzdušnění pouze při montáži nebo po poruše), aby v případě varu v kolektorech neunikala teplonosná látka z okruhu. Zpětná klapka zabraňuje zpětném proudění v solárním okruhu (nevychlazuje se v noci zásobník). Musí být umístěna tak, aby při stagnaci a odpaření teplonosné látky v kolektorech umožnila proudění teplonosné látky do expanzní nádoby oběma směry (přívodním i vratným potrubím. Pojistný ventil je umístěn na výstupu z kolektorů a mezi kolektory a pojistným ventilem nesmí být uzavírací armatura. U mnohých kompaktních čerpadlových skupin je odbočka pro připojení expanzní nádoby a pojišťovacího ventilu na přívodním potrubí, což není správně. Do akumulační nádoby je zapojen dodatkový zdroj tepla (el. vložka, plynový kotel) a dohřívá její horní část.
Funkce systému:
Regulátor porovnává teplotu teplonosné látky na výstupu z kolektorů s teplotou ohřívané vody ve spodní části zásobníku. Je-li teplota na výstupu z kolektorů vyšší o nastavený teplotní rozdíl (cca 7 K), regulátor zapne oběhové čerpadlo a teplonosná látka přenáší energii slunečního záření do zásobníku TV. Pokud sluneční energie vodu v zásobníku dostatečně neohřeje, je sepnut doplňkový zdroj tepla, ohřívající horní část zásobníku (využití stratifikace teplot v zásobníku). Řízení dohřevu může být zcela autonomní, nebo svázáno s provozem solární soustavy a výhodně zohlednit denní ohřev, tzn. spínání bivalentního zdroje pouze ráno a /nebo v pozdních odpoledních hodinách - po době maximálního nahřátí zásobníku.
Možnosti využití:
- novostavby rodinných domů s malými prostorami pro umístění kotelny;
- rekonstrukce rodinných domů, zejména tam, kde technické řešení otopné soustavy nedovoluje využití tepelné energie ze solární soustavy pro přitápění. A to buď z hlediska otopné soustavy (nemožnost napojit se na potrubní rozvody, vysoký teplotní spád otopné soustavy, elektrické přímotopy) nebo z hlediska zdroje tepla (lokální zdroj tepla - kamna, pec).
Dále při kompletních rekonstrukcích přípravy TV (nový zásobník TV, zavedení úsporných armatur apod.).
Požadavky na instalaci:
Bivalentní zásobník je vhodný při menším odběru teplé vody ze zásobníku nebo při nedostatku místa pro instalaci akumulačního zásobníku. Vhodné pro toto řešení jsou zásobníky s řízenou stratifikací.
2.3 Zapojení č. B1b (s akumulačním zásobníkem)
Obr. 2.5 Solární soustava s předřazenou akumulační nádobou
Technický popis:
Akumulační zásobník umožňuje vyšší využití sluneční energie (pracuje během dne na nižší teplotě než zásobník TV), umožňuje při slunném dnu akumulovat energii na více než jeden den (výhodné v přechodném období s proměnlivým počasím) a zabraňuje přehřívání soustavy v letním období. Nedochází tak k ovlivňování výkonu solární soustavy dodatkovým zdrojem tepla a zásobník TV je pouze pohotovostní, s dohřevem dodatkovým zdrojem tepla. Tím může být zásobník, průtočný výměník v plynovém kotli (pokud umí regulovat výstupní teplotu) ap.
Toto řešení je vhodné pro rekonstrukce (pouze se připojí výstup akumulačního zásobníku na vstup zásobníku TV).
Zvýšení využití energie ze solární soustavy při nižším odběru TV je možné zajistit použitím cirkulačního okruhu s čerpadlem CČ (zapojení B1b).
Možnosti využití:
- novostavby bytových či panelových domů (centrální příprava TV);
- rekonstrukce rodinných domů, zejména tam, kde technické řešení otopné soustavy nedovoluje využití tepelné energie ze solárního systému pro vytápění. A to buď z hlediska otopné soustavy (nemožnost napojit se na potrubní rozvody, vysoký teplotní spád otopné soustavy, elektrické přímotopy) nebo z hlediska zdroje tepla (lokální zdroj tepla - kamna, pec).
- rekonstrukce stávajících systémů centrální přípravy TV (předřazení solárního systému stávajícím zásobníkům TV (rodinné domy, bytové domy, panelové domy).
- rekonstrukce stávajících systémů decentrální přípravy TV (menší zásobníky, průtokové ohřívače) v bytových a panelových domech.
Požadavky na instalaci:
Dostatečná velikost prostor kotelny, resp. přípravny TV.
U rekonstrukcí decentrální přípravy je nutné vybudovat rozvod teplé (předehřáté) vody ze solárního akumulačního zásobníku.
2.4 B2. Solární soustava pro celoroční přípravu TV a ohřev bazénu v přechodném období
| Ohřev bazénu | Potřebná plocha kolektorů (m2/m2 povrchu bazénu) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| duben - září | červen - červenec | |||||
| (1) | (2) | (3) | (1) | (2) | (3) | |
| Ohřev vnitřního bazénu | ||||||
| se zakrýváním hladiny | 0.4 | 0,3 | 0.2 | 0.2 | 0,2 | 0.15 |
| bez zakrývání hladiny | 0.6 | 0,4 | 0.3 | 0.4 | 0,3 | 0.2 |
| Ohřev venkovního bazénu | ||||||
| se zakrýváním hladiny | 0.8 | 0,7 | 0.65 | 0.7 | 0,5 | 0.4 |
| Bez zakrývání hladiny | 1.2 | 1,0 | 0.9 | 0.9 | 0,7 | 0.5 |
Dimenzování zásobníku TV jako u B1
Obr. 2.6 Solární soustava s pro přípravu TV a ohřev bazénové vody
Technický popis
Plocha solárních kolektorů je dimenzovaná na přípravu TV a pro ohřev bazénové vody. Přepínání mezi spotřebiči (TV/bazén) je zajištěno sepnutím příslušného oběhového čerpadla. Popis zapojení primárního okruhu je shodný se schématem B1a.
Možnosti využití:
Obecně budovy se spotřebičem tepla provozovaným v přechodném a letním období (nejčastěji bazén, sušička plodin nebo dřeva, vyrovnávání teplotních výkyvů noc-den ve sklenících, apod.). Velmi vhodné je provozovat v letním období sušárnu palivového dřeva. Sušením získáme jakostní palivové dřevo bez významného podílu vlhkosti (vyšší výhřevnost, nižší zplodiny ze spalování, delší životnost kotle).
Zapojení dodatkového zdroje tepla (dohřev TV v teplosměnné vložce) je vhodné pouze pro kotle s rychlým startem a vypnutím a regulací výkonu (plynové kotle, dřevokotle na pelety). Není vhodné pro kotle bez regulace výkonu nebo kotle s dlouhým náběhem a doběhem (dřevokotle na palivové dřevo).
Požadavky na instalaci:
Podle uvažovaného spotřebiče letních přebytků.
Věc: Recenze - posouzení příspěvku
Název příspěvku: Přímé využití sluneční energie - systémy využívající fototermální kapalinové kolektory
Autor: Ing. Bořivoj Šourek
Recenzent: Ing. Vladimír Jirka, CSc. - ENKI, o.p.s.
Příspěvek obšírně seznamuje čtenáře s možnostmi fototermálního využívání sluneční energie v našich klimatických podmínkách jak z hlediska systémového, tak výběru vhodných komponentů. Souborný materiál ve své první části ukazuje trendy ve využívání sluneční energie a technické prostředky, vedoucí k jejich naplnění. Je věnovaná popisu jednotlivých komponentů, jejich místu v systému a základnímu dimenzování.
Ve druhé části je autorem předložena rešerše možných systémových řešení získání tepelné energie konverzí slunečního záření, aplikovatelných od malých soustav až po velká kolektorová pole. Autor v přehledné formě na základě jejich funkce, požadavků na provoz, výhod a nevýhod přiřazuje jednotlivým systémům jejich místo v aplikačním prostoru.
Ve třetí části jsou popsány a okomentovány konkrétní případy zapojení solárních soustav pro nejrůznější aplikace, ze kterých si převážná část čtenářů vybere tu svoji či inspiraci pro návrh svého systému. V závěru jsou uvedeny některé obecné zásady a možnosti navrhování "solárních" systémů, a také zásadní chyby, kterých by se měli čtenáři vyvarovat.
Příspěvek je značně rozsáhlý, ale přesto jej doporučuji zachovat v původním rozsahu. Jeho předností je komplexní pohled na problematiku fototermálního využití energie Slunce, který je u nás ojedinělý. Ve článku jsou uvedeny veškeré základní informace, které čitatel potřebuje v období, kdy se rozhoduje o tom, zda a jakým způsobem využívat energii Slunce pro ohřev vody a o jejím dalším využití v energetickém systému objektu. Práce je napsána srozumitelně a používá správné terminologie. Z předloženého materiálu je vidět, že autor má nejenom teoretické znalosti jako vysokoškolský pedagog, ale také inženýrskou erudici jako projektant, což dodává poznatkům, uvedeným v textu praktickou využitelnost. Doporučuji text doplnit o literaturu, ze které autor jistě také čerpal.
Klíčová slova: Slunce, sytém, kolektor, teplo
In the first part of the article is a brief overview of the market of collectors of solar radiation in the Czech Republic, the basic layout of different types of collectors and major part of solar systems. Following parts provide some basic connection of solar systems for various heating load (hot water, heating, swimming pool) and a simplified design absorber area. Each scheme is briefly described its function. In conclusion, it is marked possible connections of storage tanks for different performance.
