Využitie prebytočného tepla solárnej sústavy

Solárne sústavy na prípravu teplej vody (TV) v rodinnom dome sú v závislosti od spôsobu návrhu kolektorovej plochy schopné pokryť potrebu teplej vody v letných mesiacoch na viac ako 100 %. S tým úzko súvisia aj prebytky tepla, ktoré sa dajú využiť na ohrev vody v bazéne. Aký tepelný výkon ohrievacieho zariadenia je potrebný a ako ho pokryje prebytočným teplom kolektorová sústava na prípravu teplej vody?

 Výpočtom stanoviť tepelnú bilanciu otvorených bazénov je dôležitý krok pri správnom určení potrebného tepelného výkonu ohrievacieho zariadenia. Môžeme povedať, že hlavnou zložkou prevádzkových nákladov bazénov sú náklady na energiu potrebnú na ohrev vody. S tým úzko súvisí možné využite prebytočného tepla solárnych sústav, ktoré slúžia na prípravu teplej vody v rodinných domoch. Jedným z kľúčových faktorov vplývajúcich na energetickú náročnosť ohrevu vody je tepelná strata pri jej odparovaní z vodnej plochy, ktorú ovplyvňujú najmä poveternostné podmienky.

Tepelná bilancia bazéna
Tepelná bilancia bazéna sa v praxi stanoví výpočtom tepelných strát a tepelných ziskov. Tepelné straty z povrchu vodnej hladiny sú spôsobené prestupom tepla konvekciou, pre­stupom látky pri odparovaní a žiarením. Ďalšie tepelné straty sú spôsobené vedením cez steny bazéna do zeme a pridávaním čerstvej vody. Tepelné zisky pozostávajú z tepelného zisku zo slnečného žiarenia, ktoré vstupuje cez vodnú hladinu do bazénovej vody, a tepelné­ho zisku z telesného tepla kúpajúcich [1].

Na výpočet sme zvolili oblasť Bratislavy, kde sa nachádza aj Slovenský hydrometeorologický ústav (SHMÚ) a príslušná klimatologická stanica, ktorá poskytla údaje na spracovanie daných výsledkov. Vychádzali sme zo zvolených parametrov rodinného nekrytého bazéna s vodnou plochou 25 m², objemom vody 30 m³, požadovanou teplotou vody 26 °C, teplotou vody v zdroji 10 °C a kúpacou sezónou trvajúcou od mája do septembra. Po spracovaní hodnôt získaných zo SHMÚ a odčítaní všetkých potrebných parametrov sme vykonali výpočet jednotlivých tepelných strát a ziskov. Ako príklad uvádzame jednu z najdôležitejších tepelných strát, tepelnú stratu odparovaním z vodnej hladiny, ktorá sa určí podľa vzťahu [2]

Q._od = m_.p l_v (t_t)    (1)

Potrebný výpočet hmotnostného toku vodných pár odparujúcich sa z povrchu hladiny a výpo­čet súčiniteľa prestupu látky vztiahnutého na špecifické vlhkosti vodnej pary v suchom vzdu­chu sa určujú z empirických vzťahov v závislosti od rýchlosti vzduchu nad hladinou.

Podrobné spracovanie údajov a empirických vzťahov pri tepelnej bilancii bazéna je uvedené v [3] a [4]. V tab. 1 sú výsledné hodnoty všetkých tepelných strát a ziskov v rámci zvolenej kúpacej sezóny aj s uvedenou hodnotou potrebného tepelného výkonu.

Samotná potreba tepla na ohrev bazénovej vody predstavuje pomerne vysokú hodnotu. Prebytky tepla zo solárnej sústavy budú, samozrejme, závisieť od veľkosti kolektorovej plochy. Už teraz však vieme s istotou povedať, že v mesiacoch kúpacej sezóny nepokryjú požadovanú potrebu, budú len istou podporou vykurovania. Prirodzene, ďalším aspektom sú hodnoty dodaného množstva slnečnej energie, ktoré sa nedajú presne určiť. Preto treba do určitej miery rátať aj s predpokladom vyplývajúcim zo skúseností, že slnko vyhreje bazénovú vodu v letných mesiacoch na dostatočnú teplotu.

Teplo získané kolektorom a potreba tepla na prípravu TV
Množstvo tepla vyrobené kolektorom závisí od plochy kolektora, jeho účinnosti a množstva slnečnej energie ním zachytenej. Možno ho vyjadriť vzťahom [5]

Q_kol = Q_{k, mes} h_k S_k    (2)

Výpočet energetickej účinnosti kolektora a hodnoty potrebné na výpočet (napríklad priemerná intenzita slnečného žiarenia, prie­merné teploty vzduchu a výpočet množstva energie zachytenej kolektorom pri zvolených parametroch) sú podrobne uvedené v [6] a [7].

Na účely výpočtu sme z ponuky vyrábaných kolektorov vybrali plochý kolektor s absorp­čnou plochou 1,76 m2, umiestnený na streche domu pod uhlom oslnenej plochy 45°, orientovaný na juh. Všetky potrebné hodnoty platia pri 50° severnej šírky.

Stanovenie potreby tepla na prípravu teplej vody vychádza z toho, že potreba TV (pre rodinný dom) je počas celého roka stála. Energia dodaná teplej vode sa počítala podľa STN EN 15316-3-1 Vykurovacie systémy v bu­dovách, výpočet podľa požadovaného množ­stva vody. Uvažovalo sa o rodinnom dome so štyrmi osobami a vysokým hygienickým komfortom, ktorý zahŕňa kúpanie a sprchovanie s dennou potrebou 200 l pri 60 °C, čo predstavuje 50 l na osobu. Priemerná potreba teplej vody v jednotlivých mesiacoch bude potom v rámci uvažovaného príkladu Qtv = 355 kWh/mesiac.

Výpočet množstva energie zachytenej slnečným kolektorom na ploche 1 m² každý mesiac rozhoduje o budúcej veľkosti kolektorovej plochy a počte kusov kolektorov, ktoré majú pokryť požadovanú potrebu tepla na prípravu TV. Treba však opätovne zdôrazniť, že navrhnúť také plochy kolektorov, ktoré by zabezpečili celoročné pokrytie prípravy TV výlučne slnečnou energiou, je nereálne a v mesiacoch s nedostatočným slnečným žiarením sa musí potreba tepla pokryť iným zdrojom. Solárny systém teda pracuje ako podpora vykurovania TV. Keďže v našom prípade chceme využiť prebytočné teplo na ohrievanie bazénovej vody, zvolili sme takú plochu kolektora, aby sme mali v lete väčšie prebytky tepla, čo samozrejme zvýši aj pokrytie potreby tepla na prípravu TV v ostatných mesiacoch.

Na využitie prebytočného tepla solárnej sústavy na prípravu TV sme zvolili kolektorovú plochu (podľa absorpčnej plochy jedného kolektora) s veľkosťou S = 10,56 m², ktorá zodpovedá šiestim kolektorom. V ďalších odsekoch uvádzame výsledné hodnoty množstva tepla získaného zvolenou kolektorovou plochou a množstvo prebytočného tepla využiteľného na ohrev vody v bazéne.

Výsledky
V tab. 2 sú uvedené hodnoty tepla potrebného na prípravu TV, množstva tepla získaného kolektorom s absorpčnou plochou 10,56 m2, stupňa krytia danej potreby TV a hodnoty prebytkov tepla zo solárnej sústavy počas celého roka. V posledných stĺpcoch sú uvedené vypočítané hodnoty tepla potrebného na ohrev vody v bazéne v rámci zvolenej kúpacej sezóny a stupňa krytia prebytočným teplom zo solárnych kolektorov. Hodnoty tepla potrebného na ohrev bazénovej vody sú upravené na jednotky korešpondujúce s jednotkami vypočítaného množstva tepla získaného kolektorom podľa času slnečného svitu. Na lepšiu názornosť a predstavu o pokrytí požadovaných potrieb sú jednotlivé údaje spracované aj graficky na obr. 1 a 2.

Obr. 1  Priebeh množstva tepla získaného kolektormi na prípravu TV

Obr. 2  Prebytočné teplo na ohrev bazénovej vody v kúpacej sezóne

Záver
Z tab. 2 vyplýva, že s danou plochou kolektorov a pri daných klimatických podmienkach by sústava bola schopná zabezpečiť teplo potrebné na prípravu TV na plných sedem mesiacov a ešte ďalšie dva mesiace by mala stále dostatočne vysoký stupeň krytia. Čo sa týka potreby tepla na ohrev bazénovej vody v kúpacej sezóne, nie je pokrytá ani v jednom z uvedených mesiacov. To znamená, že systém by aj napriek voľbe väčšej kolektorovej plochy slúžil iba ako podpora vykurovania bazéna. Jednotlivé údaje sú zobrazené v grafoch na obr. 1 a 2. V grafe na obr. 1 je znázornené pokrytie potreby na prípravu TV. V grafe na obr. 2 sú znázornené prebytky tepla zo solárnej sústavy v mesiacoch kúpacej sezóny, ktoré možno využiť na ohrev bazénovej vody. Ako možno vidieť, prebytočné teplo nepostačuje na ohrev vody v bazéne a systém by slúžil počas stanovených mesiacov kúpacej sezóny ako podpora vykurovania so stupňom krytia necelých 37 %. Zo skúseností a publikovaných informácií je zrejmé, že v letných mesiacoch, keď býva v priaznivých dňoch dostatok slnečného žiarenia, by sa bazénová voda vďaka tomu ohriala na požadovanú teplotu, pri menej priaznivom počasí by pokrytie potreby zabezpečoval solárny systém.

Ing. Lucia Záležáková
Recenzoval: prof. Ing. Václav Havelský, PhD.
Foto a obrázky: autorka, thinkstock.com

Autorka pôsobí v Ústave tepelnej energetiky Strojníckej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra
1.    Kriš, J.: Bazény a kúpaliská. 1. vyd. Bratislava:
JAGA group, 2000, 199 s.
2.    Kabát, E. – HORÁK, M.: Prenos tepla. 1. vyd. Bratislava: ES STU, 2000, 129 s.
3.    Záležáková, L.: Návrh ohrevu termálnej vody nekrytého sedacieho bazéna. Diplomová práca, Bratislava: Sjf STU, 2003.
4.    Tatarová, M.: Vplyv vybraných parametrov na energetickú náročnosť vykurovania nekrytého rodinného bazéna. Diplomová práca, Bratislava:
SjF STU, 2008.
5.    Cihelka, J.: Solární tepelná technika, Praha: Nakladatelství T. Malina, 1994.
6.    Záležáková, L.: Vplyv veľkosti absorpčnej plochy kolektora na stupeň krytia potreby teplej vody. In: 29. Setkání kateder mechaniky tekutin a termomechaniky: Rožňov pod Radhoštěm, 23. – 25. 6. 2010, Ostrava: Vysoká škola baňská – Technická univerzita v Ostrave, s. 319 – 322, 2010.
7.    Záležáková, L.: Stupeň krytia potreby tepla na ohrev teplej vody pomocou solárnych kolektorov. In: 30. Setkání kateder mechaniky tekutin a termomechaniky: Sborník příspěvků. Špindlerův Mlýn, 22. – 24. 6. 2011, Liberec: Technická univerzita v Liberci, s. 273 – 276, 2011.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.