Zvyšovanie výkonu a účinnostislnečných energetických systémov v obytných budovách

Energetické hodnotenie systémov na báze obnoviteľných zdrojov energie podlieha metodikám odporúčaných európskych noriem, v ktorých sa výpočet účinnosti odlišujepodľa druhu obnoviteľnej energie. Aké sú možnosti optimalizácie jednotlivých komponentov a parametrov slnečného energetického systému (SES) na prípravu teplej vody v budovách? Pokúsime sa zodpovedať na túto otázku a zároveň sledovať cieľ zvyšovania tepelnej účinnosti SES, a teda aj jeho výkonu, ktorý je podmienkou výraznejších úspor energie a návratnosti systému. Vychádzať budeme z normy STN EN 15316-1 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinností systému.

Možnosti optimalizácie SES si ukážeme na porovnaní parametrov vybraného základného SES a modelového nového(vylepšeného)systému

Obr. 1 Jestvujúci SES – zjednodušená schéma1 – solárny kolektor, A = 2,78 m2, 2 – bivalentný solárny zásobník, V = 230 l, 3 – elektrická výhrevná vložka, P = 2 kW

Výpočty sa realizovali pomocou programu SpiralSol, ktorý je určený pre zásobníky s vnútorným výmenníkom tepla. Zásobník TV je kombinovaný, jeho spodná časť sa ohrieva solárnym kolektorom a vrchná doplnkovým zdrojom tepla – kotlom s výkonom 15 kW (v zime) alebo elektrickou výhrevnou vložkou s výkonom 2 kW (v prechodnom období alebo pri zamračenej oblohe).

Hodnoty zachytenej slnečnej energie, ako aj hodnoty odobranej a doplnkovej energie sa vypočítali pomocou programu SpiralSol.

Využiteľná solárna energia = odobraná ene-rgia – doplnková energia (1)1 678,2 kWh – 895,1 kWh = 783,1 kWhVýkon systému = využiteľná solárna energia –energia na pohon čerpadla – MaR (2)783 100 Wh – 63,9 Wh – 2 W × 2 131,3 h – 1 W × 6 628,7 h = 772,145 kWhSolárny podiel = využiteľná solárna energia / odobraná energia (3)783,1 kWh / 1 678.2 kWh × 100 % = 47 %Podiel SES = výkon systému / odobraná ener-gia (4)772,145 kWh / 1 678,2 kWh × 100 % = 46 %Vyhovujúci solárny podiel je v rozsahu 50 až 75 % [1] a záleží od využiteľnej solárnej energie a odobranej energie zo systému. Hlavným dôvodom nízkej hodnoty ročného solárneho podielu 47 % je vysoký súčiniteľ tepelnej straty solárneho kolektora

5,13 W/(m2 . K). S nižším súčiniteľom tepelnej straty vzrastá hodnota využiteľnej solárnej energie ako aj celkový výkon SES. Všetky vypočítané hod- noty tak isto závisia od klimatických podmie- nok danej lokality.

Ing. Lukáš SkalíkAutor pôsobí na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.

Výkon systému, ročný solárny podiel a ročný podiel solárneho systému na vykurovacom systéme sa určili výpočtom. Výpočet zachy-tenej slnečnej energie pomocou programu SpiralSol sa overil podľa rovnice (1) až (4). Výsledky pre základný systém sú uvedené v tab. 1.Základný SES a výpočet jeho

parametrov

Nový modelový SESV rámci nového, modelového SES sa posu-dzovali tieto parametre:• plocha solárneho kolektora,• objem zásobníka TV,• pomer výšky a šírky zásobníka TV,• sklon a orientácia kolektorovej plochy.

Na spresnenie treba dodať, že v technickýchdátach sa uvádza transparentná plocha so-lárneho kolektora, v riešenom prípade jeto však apertúrna plocha kolektora, ktoráaktívne pracuje so slnečnou radiáciou a po-užíva sa na návrh a inštaláciu solárnych ko-lektorov. Všeobecne sa dá povedať, že čímväčšia je kolektorová plocha, tým je aj výkonsystému väčší.

Určenie plochy solárneho kolektoraTáto plocha závisí od objemu zásobníka a mala by zabezpečiť 85 až 95 % potreby TV v letnom období. Pri plochom kolektore možno predpokladať 0,6 až 0,8 m2/osoba potrebných na prípravu TV.Pri SES, ktorý zabezpečuje aj podporu vyku-rovania, sa vyžaduje:• 0,3 až 0,5 m2 plochy kolektorov na m2 podlažnej plochy,• 0,2 m2 vákuového kolektora na m2 pod- lažnej plochy [2]. Na porovnanie vplyvu kolektorovej plochy na výkon SES sa vykonalo deväť výpočtov s rozličnými plochami, vrátane jestvujúcej kolektorovej plochy s veľkosťou 2,78 m2 (tab. 2). Všetky ostatné premenné s výnim-kou objemového prietoku zostali nezmene-né. Z grafu na obr. 2 vidieť zreteľný nárast výkonu SES so vzrastajúcou kolektorovou plochou

Objem zásobníkaĎalším veľmi dôležitým parametrom je voľ-ba vhodného objemu zásobníka. Navrhova-nie väčších zásobníkov tepla nie je vhodnou alternatívou nielen z dôvodu vyšších in-vestičných nákladov, ale aj pre obmedzené priestory na umiestnenie takýchto zásobní-kov v obytných objektoch. Nevýhodou je aj príprava nadmerného množstva TV, ktorá sa v konečnom dôsledku nespotrebuje, resp. sa po čase ochladí, čím dochádza k celkovému zníženiu výkonu SES, ako znázorňuje obr. 3.

Obr. 2 Výkon SES podľa kolektorovej plochy Obr. 3 Výkon SES podľa objemu zásobníka

však treba brať ohľad aj na túto skutočnosť. Veľký priemer, resp. pomer priemeru záso-bníka k jeho výške má za následok neefektív-ne odovzdávanie tepla od solárnych kolekto-rov cez výmenník umiestnený v spodnej časti zásobníka TV. Možno konštatovať, že pomer výšky a šírky, ktorý sa približuje hodnote 2 a vyššej, je vo väčšine prípadoch vyhovujúci. V takýchto prípadoch sa dosiahne vhodná tep-lotná stratifikácia v zásobníku. Príliš štíhla kon-štrukcia zásobníka má však za následok zvýše-nie jeho tepelnej straty a relatívne menšiu využi-teľnú tepelnú kapacitu.

Z obr. 4 je zrejmé, že najlepšie hodnoty vý- konu SES sa dosiahnu vtedy, ak hodnota pomeru výšky a priemeru zásobníka TV je približne 3,5. Zvýšenie alebo zníženie tohto pomeru prináša zníženie výkonu SES, čím sa potvrdí, že teplotná stratifikácia sa dosiahne lepšie v zásobníku s vyššou hodnotou pomeru, a to z dôvodu nižšej tepelnej vodivosti vody smerom dole cez steny a plášť zásobníka. Potreba doplnkovej energie, napríklad od kotla, bude preto nižšia a účinnosť solárneho kole- ktora vyššia pri systémoch so zásobníkmi s väčším pomerom.Pri zásobníkoch so zabudovaným výmenníkom tepla, ktorého vrchná časť s objemom 80 l sa ohrieva doplnkovým zdrojom tepla, sa dosahuje najvyšší výkon pri pomere výšky a priemeru ro-vnému číslu 3. Je to spôsobené tým, že plocha zásobníka, a tým aj jeho tepelná strata sa zvy-šujú paralelne so zvyšujúcim sa pomerom výšky k priemeru zásobníka za predpokladu, že tento pomer nie je veľmi malý. Problematické však os-távajú zvýšené tepelné straty zásobníka po pre-kročení určitej hranice pomeru. Zvyšovanie tohto pomeru na zlepšenie tepelnej stratifikácie je ne-efektívne aj z dôvodu následných väčších tepel-ných strát zásobníka [3]. Sklon kolektorovej plochySklon strechy sa spravidla pohybuje v rozsahu od 25 do 60 °. Menší uhol zvyšuje energetickú účinnosť v lete, väčší uhol umožňuje stabilnejší výkon počas zimy. Správna voľba sklonu kolek-torovej plochy má rozhodujúci vplyv na výkonnosť SES, najmä pri systémoch určených aj na pod-poru vykurovania. Výkony pri rozličných uhloch sklonu kolektorovej plochy počas celého roka sú uvedené

Zmeny výkonu v závislosti od objemu zásobníka sa určia tak, aby pomer výšky a prie-meru zásobníka ostal nezmenený. Obr. 3 ukazuje, ako objem zásobníka tepla vplýva na jeho tepelný výkon. Je zreteľné, že ob-jem zásobníka okolo 150 l vyhovuje danému SES najlepšie. S rastúcim alebo klesajúcim objemom zásobníka (od 150 l) sa výkon SES znižuje.

Pomer výšky a priemeru zásobníka TVV súčasnosti vyrábané zásobníky, ktoré sú v ponuke rozličných výrobcov, majú pomernevyhovujúci pomer výšky a priemeru (v/d), pri požiadavke atypického zásobníka

v tab. 5 a na obr. 5. Z výpočtov je zrej-mé, že najvhodnejší sklon solárnych kolektorov pri celoročnej prevádzke je od 45 do 50. Zvýšenie alebo zníženie tohto sklonu prináša zníženie výkonu SES.

Obr. 4 Vplyv pomeru výšky a šírky zásobníka TV na výkon SES Obr. 5 Vplyv sklonu kolektorovej plochy na výkon SES

Obr. 6 Vplyv sklonu kolektorovej plochy na výkon SES v letnom a zimnom období

Vplyv sklonu kolektorovej plochy na výkon SES v zimnom a letnom obdobíVýpočet výkonu SES pri rozličných uhloch sklonu kolektora sa odlišuje aj v jednotli-vých ročných obdobiach (letné obdobie sa počíta od apríla do septembra a zimné od októbra do marca). Tab. 6 a obr. 6 ukazuje, že menší uhol sklonu kolektorovej plochy má za následok zvýšenie výkonu SES v lete, naopak, v zime zvyšuje výkon väčší uhol sklonu. V letnom období, keď je intenzita slnečného žiarenia vyššia, je výkon SES približne päťkrát väčší než v zimnom období. Najvhodnejší sklon kolektorovej plochy pre letné obdobie je v rozsahu od 35 do 40 °. So stúpajúcim uhlom sklonu kolektorovej plochy v zimnom období stúpa aj výkon SES.

Orientácia solárnych kolektorov

V ideálnom prípade sa solárne kolektory umiestňujú na strechu orientovanú na juh, (azimut 180, vo výpočtoch uvažovaný ako faktor 0). Zmena orientácie strešnej roviny, resp. solárných kolektorov z juhu na východ (azimut 90 °) alebo západ (azimut 270 °) spô-sobuje mierne zníženie výkonu SES – približ-ne do 10 % (obr. 7) – rovnako ako v prípade tienenia.Na obr. 8 je znázornený vplyv orientácie solárnych kolektorov na výkon SES. Odklon orientácie solárnych kolektorov od juhu zni-žuje výkon SES.

Predpoklady vylepšenia základného systémuParametre, ktoré je vhodné zmeniť s cieľom zvýšenia výkonu SES:Súčiniteľ tepelnej straty kolektora a tepelné mosty zásobníka V danom systéme je hodnota súčiniteľa tepe-lnej straty kolektora vyššia ako 5 W/(m2 . K), s hodnotou 5,13 W/(m2 . K), čo spôsobuje zlé fungovanie SES a priveľké straty tepla v spod-nej časti kolektora.

Predpoklad a okrajové podmienky:•zníženie súčiniteľa tepelnej straty kolektora

na hodnotu 2 W/(m2 . K) aplikáciou vhodnejšej izolácie,•neberú sa do úvahy tepelné mosty v spodnej časti zásobníka.

Obr. 8 Vplyv orientácie solárnych kolektorov na výkon SES

Pomer výšky a priemeru zásobníkaZásobník má pomer výšky a priemeru rovný 2,56. Zvýšenie na hodnotu 3,5 zvýši výkon o približne 5 kWh za rok (obr. 4).

Objem zásobníka TVObjem zásobníka v základnom systéme je 228,7 litrov. Zníženie objemu zásobníka na175 litrov vedie k zvýšeniu výkonu o takmer30 kWh ročne (tab. 3).

Kolektorová plochaPodľa obr. 2, na ktorom je znázornená závislosť výkonu SES od kolektorovej plochy, možno usúdiť, že čím je plocha kolektorov väčšia, tým je aj výkon SES väčší. Z dôvodov obmedzenej plochy strechy a vyšších investičných nákladov na solárne kolektory sa však zvolila plocha s veľkosťou 3 m2.S cieľom potvrdiť tieto predpoklady sa vypočítal nový, resp. vylepšený SES. V tab. 8 sú vypočítané hodnoty pôvodného a nového SES, ako aj zmenené parametre.

Výkon SES sa môže vylepšiť aj zmenou ďalších parametrov, ako je hrúbka tepelnej izolácie stien zásobníka TV, dĺžka a priemer potrubia (menší priemer a dĺžka potrubia zlepšia výkon systému), meranie a regulácia (typ, štart/stop teplotnej diferencie a podobne), objemový prietok teplonosnej látky v okruhu solárnych kolektorov, ako aj doplnkový zdroj tepla. V niektorých prípadoch sa používa aj natá-čacie zariadenie, ktoré sleduje pohyb slnka po oblohe a smeruje solárne kolektory kolmo k nemu, a to buď horizontálnym (orientácia), vertikálnym (uhol sklonu) alebo v najlepšom prípade horizontálnym aj vertikálnym natáčacím zariadením

Záver

Z uvedených výpočtov SES vyplynulo, že na posudzovanom pôvodnom systéme by sa malo uskutočniť niekoľko zmien s cieľom zlepšiť jeho účinnosť a výkon. Keďže rozličné parametre systému majú vplyv na jeho celkový výkon, je veľmi dôležitý správny návrh solár-neho systému, a to nielen vzhľadom na zvýšenie jeho výkonu, ale aj z hľadiska šetrenia – či už špič-kového zdroja tepla (a tým aj fosílnych palív), alebo nákladov na tieto primárne zdroje energie.

V technickej literatúre možno nájsť mnoho spô-sobov, ako zlepšiť systém, resp. čo vziať do úvahy pri návrhu celého systému. Pozornosť pri návrhu treba venovať hlavným faktorom, ako sú tepelné straty systému, objem zásobníka a kolektorová plocha. To platí za predpokladu, že aj ostatné parametre sú vhodne zvolené (sklon a orientácia kolektora, tepelná izolácia, špičkový zdroj tepla).

Výkon systému sa dá zvýšiť o viac než 31 % (tab. 8) zmenou iba štyroch parametrov, ako sú zmenšenie objemu zásobníka o 30 %, zvýšenie pomeru výšky a šírk

zásobníka o 37 %, zväčšenie apertúrnejplochy kolektora o 8 % a zníženie jeho súčiniteľa tepelnej straty použitím vhod-nejšej izolácie, najmä v spodnej časti kolek-tora. Treba však dodať že každý solárny energetický systém je iný.

y

Obr.7 Percentuálne zníženie výkonu SES v závislosti odorientácie a sklonu (4)

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK