Vliv klimatických podmínek na zisky solárních soustav
Lze smluvně garantovat i určitou stabilní úroveň výnosů solární tepelné soustavy? Přestože tepelné zisky solární soustavy přímo závisí na dopadající sluneční energii, významně vyšší výkyvy než vlivem klimatických podmínek jsou způsobovány změnou odběru tepla uživatelem.
Projekční řešení a následné energetické zhodnocení naprojektované solární tepelné soustavy vychází z definovaných klimatických údajů, často výsledků statistického zpracování ve formě "typických" klimatických údajů o dopadající sluneční energii a venkovní teplotě v dané oblasti. Nicméně, při reálném provozu solární soustavy se jednotlivé roky od sebe mohou svým klimatickým charakterem lišit, mluví se o suchém roku, deštivém roku, chladném roku... Tento příspěvek vznikl jako reakce na dotaz zástupce nejmenované společnosti, která chtěla jako bonus ke své nabídce velkoplošných solárních soustav smluvně garantovat [1] i určitou stabilní úroveň výnosů solární tepelné soustavy a v případě nedosažení stanovených smluvních hodnot finančně kompenzovat rozdíl. Diskuze probíhala v období května 2010, tedy v době kdy v podstatě celý měsíc pršelo. Dotaz zněl: "Nemohu se rozmarem počasí dostat do svízelné situace, kdy celé měsíce bude pršet a firma bude muset za celý "špatný" rok doplácet kompenzaci?"
Sluneční záření
V první řadě je vhodné se blíže podívat na proměnlivost dopadající sluneční energie v delším časovém úseku, např. 10 po sobě jdoucích let, kdy je možné předpokládat, že na takovém vzorku údajů se projeví přirozené kolísání úhrnů slunečního záření. Na obr. 1 jsou uvedeny celkové dávky slunečního ozáření (úhrny dopadající sluneční energie) na vodorovnou plochu v letech 1984 až 1997 pro Prahu a v letech 1993 až 2004 pro Ostravu [2].
Obr. 1 - Dopadlá sluneční energie v jednotlivých letech na vodorovnou plochu [2]
Z obr. 1 je v podstatě jasné, že meziroční kolísání dopadající sluneční energie se řádově pohybuje okolo 10 %. Nicméně, lze toto kolísání jednoduše přenést i na zisky solární soustavy?
Zisky solární soustavy
Pro stanovení vlivu klimatických podmínek na tepelné zisky solární soustavy byly uvažovány dva modelové případy solární přípravy teplé vody: solární soustava pro rodinný dům a solární soustava pro bytový dům. Hlavní návrhové parametry dále uvažovaných solárních soustav jsou uvedeny v tab. 1 spolu s výsledky hodnocení v programu PROVOZ_SK [3] pro typický meteorologický rok (TMY) pro Prahu s roční hodnotou dopadající sluneční energie 1056 kWh/m2.rok) na plochu orientovanou k jihu a sklonem 45°.
| Rodinný dům | Bytový dům | |
|---|---|---|
| Potřeba teplé vody (50/15 °C), v l/den | 200 | 3 000 |
| Roční potřeba tepla, v kWh/rok | 3 000 | 44 500 |
| Typ solárního kolektoru | plochý | |
| Křivka účinnosti solárního kolektoru | η0 = 0,75; a1 = 3,5 W/(m2.K); a2 = 0,01 W/(m2.K2) | |
| Plocha apertury solárního kolektoru, v m2 | 5 | 42 |
| Objem solárního zásobníku teplé vodyy, v l | 260 | 2300 |
| Tepelná izolace solárního zásobníku, v mm | 50 | 100 |
| Maximální teplota v solárním zásobníku, v °C | 85 | |
| Dimenze / tloušťka izolace potrubí, v mm | Φ18 / 25 | Φ28 / 25 |
| Délka potrubí solárního okruhu, v m | 20 | 80 |
| Využité zisky solární soustavy, v kWh/rok | 1 749 | 18 880 |
| Měrné využité zisky solární soustavy, v kWh/(m2.rok) | 350 | 450 |
| Solární pokrytí, v % | 57 | 42 |
| Účinnost solární soustavy, v % | 33 | 43 |
Tab. 1 - Parametry uvažovaných solárních soustav pro přípravu teplé vody
Výpočetní program PROVOZ_SK je nástroj pro statický výpočet solární soustavy pro přípravu teplé vody v hodinovém kroku, využívající klimatickou databázi s hodinovými údaji pro sluneční ozáření na vodorovnou rovinu a venkovní teplotu. Program využívá přepočet slunečního ozáření na libovolně orientovanou a skloněnou rovinu kolektoru (izotropický model pro difuzní záření). Vstupními parametry solární soustavy jsou kromě plochy solárního kolektoru a křivky účinnosti také optická charakteristika kolektoru (křivka modifikátoru v podélném a příčném směru), parametry zásobníku (objem, tloušťka a vlastnosti tepelné izolace, maximální teplota), rozměry potrubí (délka, světlost a tloušťka tepelné izolace), odběr teplé vody a teplotní úroveň a denní a roční profil odběru. Kromě hlavních určovaných parametrů solární soustavy uvedených v tab. 1 umožňuje program vyhodnotit i dobu běhu oběhového čerpadla, dobu stagnace, tepelné ztráty, aj.
Pro analýzu vlivu klimatických podmínek (sluneční ozáření, venkovní teplota) na využité zisky solární soustavy byly použity hodinové klimatické údaje z let 1984 až 1997 pro Prahu [2]. Výsledky pro jednotlivé roky jsou pro obě soustavy uvedeny v grafech na obr. 2. Z grafů je patrné, že meziroční kolísání zisků solární soustavy vlivem kolísání klimatických podmínek se pohybuje také do cca 10 %, ovšem za předpokladu nezměněného odběru teplé vody v jednotlivých letech. U solární soustavy pro rodinný dům se měrné zisky pohybují od návrhových 350 do 420 kWh/(m2.rok) a solární pokrytí od 57 do 67 %. Pro solární soustavu v bytovém domě jsou měrné zisky od 450 do 540 kWh/(m2.rok) při solárním pokrytí od 42 do 50 %. V této souvislosti je vhodné zmínit, že typický meteorologický rok (TMY, Meteonorm) [4] používaný v řadě softwarů pro simulaci provozního chování solárních soustav poskytuje z hlediska vlivu klimatických údajů na solární zisky velmi konzervativní hodnoty (nejnižší).
Obr. 2 - Měrné využité zisky solární soustavy pro rodinný dům a bytový dům v jednotlivých letech
Vzhledem ke skutečnosti, že převažující vliv na zisky solární soustavy má dopadající sluneční záření, je výhodné vyhodnocovat účinnost solární soustavy definovanou jako poměr mezi využitými zisky a dopadlou sluneční energií. Účinnost solární soustavy je relativně stabilním parametrem, bez významného vlivu klimatických podmínek. Účinnost solární soustavy pro uvažovaný rodinný dům se pohybuje od 34 do 36 %, pro bytový dům od 44 do 46 %. Na obr. 3 je uvedena souvislost mezi měrnými ročními zisky solární soustavy a roční dávkou slunečního ozáření (ročním úhrnem dopadlé energie na m2). Směrnice přímky proložené body z jednotlivých let je střední účinnost solární soustavy. Hodnota účinnosti pak může sloužit pro predikci ročních zisků solární soustavy na základě roční dopadající energie.
Obr. 3 - Souvislost mezi zisky solární soustavy a dopadající sluneční energií
Závěr
Přestože tepelné zisky solární soustavy přímo závisí na dopadající sluneční energii, není nutné se obávat příliš velkých výkyvů v přínosech solární soustavy v jednotlivých letech provozu vlivem klimatických podmínek. Významně vyšší výkyvy jsou způsobovány změnou odběru tepla uživatelem, např. úspornými opatřeními provedenými po realizaci solární soustavy, poklesem míry využívání teplé vody, krátkodobým nebo dlouhodobým snížením počtu obyvatel domu (dovolená, odchod dětí z domu).
Odkazy
[1] Matuška, T.: Garantované solární zisky, Portál tzb-info, 2009.
[2] Český hydrometeorologický ústav, http://www.chmu.cz
[3] Matuška, T.: Provozní bilance solární soustavy pro přípravu teplé vody PROVOZ_SK, autorizovaný software, ČVUT v Praze, 2007.
[4] Meteonorm, Global Meteorological Database for Engineers, Planners and Education, http://www.meteonorm.com
Although the solar heat gain of the system directly depends on the incident solar energy, there is no need to worry about too much variation in the benefits of solar systems in each year of operation due to climatic conditions. Significantly higher fluctuations are caused by change in heat use.
