Zvyšovanie výkonu a účinnosti solárnych kolektorov v obytných budovách

Energetické hodnotenie systémov na báze obnoviteľných zdrojov energie podlieha metodikám odporúčaných európskych noriem, v ktorých sa výpočet účinnosti odlišuje podľa 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. 
 
Základný SES a výpočet jeho parametrov
Základný (bežný) SES je podľa zjednodušenej schémy na obr. 1 zložený zo solárneho kolektora, bivalentného zásobníka teplej vody (TV), elektrickej výhrevnej vložky, čerpadla a okruhu záložného zdroja tepla, napríklad kotla.

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

Využiteľná solárna energia = odobraná energia – doplnková energia                                (1)
1 678,2 kWh – 895,1 kWh = 783,1 kWh
Výkon 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 kWh
Solárny podiel = využiteľná solárna energia / odobraná energia                                          (3)
783,1 kWh / 1 678.2 kWh × 100 % = 47 %
Podiel SES = výkon systému / odobraná energia                                                                    (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 hodnoty takisto závisia od klimatických podmienok danej lokality.
–>–>
Nový modelový SES
V rámci nového, modelového SES sa posudzovali 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 technických dátach sa uvádza transparentná plocha solárneho kolektora, v riešenom prípade je to však apertúrna plocha kolektora, ktorá aktívne pracuje so slnečnou radiáciou a používa sa na návrh a inštaláciu solárnych kolektorov. Všeobecne sa dá povedať, že čím väčšia je kolektorová plocha, tým je aj výkon systému väčší.
 
Určenie plochy solárneho kolektora
Táto 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 vykurovania, sa vyžaduje:

• 0,3 až 0,5 m² plochy kolektorov na m² podlažnej plochy,
• 0,2 m² vákuového kolektora na m² podlažnej 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 výnimkou objemového prietoku zostali nezmenené. Z grafu na obr. 2 vidieť zreteľný nárast výkonu SES so vzrastajúcou kolektorovou plochou.

Obr. 2 Výkon SES podľa kolektorovej plochy

Objem zásobníka
Ďalším veľmi dôležitým parametrom je voľba vhodného objemu zásobníka. Navrhovanie väčších zásobníkov tepla nie je vhodnou alternatívou nielen z dôvodu vyšších investičných nákladov, ale aj pre obmedzené priestory na umiestnenie takýchto zásobníkov 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. 3 Výkon SES podľa objemu zásobníka

Zmeny výkonu v závislosti od objemu zásobníka sa určia tak, aby pomer výšky a priemeru zásobníka ostal nezmenený. Obr. 3 ukazuje, ako objem zásobníka tepla vplýva na jeho tepelný výkon. Je zreteľné, že objem 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 TV
V súčasnosti vyrábané zásobníky, ktoré sú v ponuke rozličných výrobcov, majú pomerne vyhovujúci pomer výšky a priemeru (v/d), pri požiadavke atypického zásobníka však treba brať ohľad aj na túto skutočnosť. Veľký priemer, resp. pomer priemeru zásobníka k jeho výške má za následok neefektívne odovzdávanie tepla od solárnych kolektorov 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 teplotná stratifikácia v zásobníku. Príliš štíhla konštrukcia zásobníka má však za následok zvýšenie jeho tepelnej straty a relatívne menšiu využiteľnú tepelnú kapacitu.

Z obr. 4 je zrejmé, že najlepšie hodnoty výkonu 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 kolektora vyššia pri systémoch so zásobníkmi s väčším pomerom.

Obr. 4 Vplyv pomeru výšky a šírky zásobníka TV na výkon SES

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 rovnému číslu 3. Je to spôsobené tým, že plocha zásobníka, a tým aj jeho tepelná strata sa zvyšujú paralelne so zvyšujúcim sa pomerom výšky k priemeru zásobníka za predpokladu, že tento pomer nie je veľmi malý. Problematické však ostávajú zvýšené tepelné straty zásobníka po prekročení určitej hranice pomeru. Zvyšovanie tohto pomeru na zlepšenie tepelnej stratifikácie je neefektívne aj z dôvodu následných väčších tepelných strát zásobníka [3]. 
 
Sklon kolektorovej plochy
Sklon 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 kolektorovej plochy má rozhodujúci vplyv na výkonnosť SES, najmä pri systémoch určených aj na podporu vykurovania. Výkony pri rozličných uhloch sklonu kolektorovej plochy počas celého roka sú uvedené v tab. 5 a na obr. 5. Z výpočtov je zrejmé, že najvhodnejší sklon solárnych kolektorov pri celoročnej prevádzke je od 45 do 50. Zvýšenie alebo zníženie tohto sklonu prináša zníženie výkonu SES.

 Obr. 5 Vplyv sklonu kolektorovej plochy na výkon SES

Vplyv sklonu kolektorovej plochy na výkon SES v zimnom a letnom období
Výpočet výkonu SES pri rozličných uhloch sklonu kolektora sa odlišuje aj v jednotlivých 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.

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

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 °) spôsobuje mierne zníženie výkonu SES – približne 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 znižuje výkon SES.
 
Predpoklady vylepšenia základného systému
Parametre, ktoré je vhodné zmeniť s cieľom zvýšenia výkonu SES:
 
Súčiniteľ tepelnej straty kolektora a tepelné mosty zásobníka
V danom systéme je hodnota súčiniteľa tepelnej 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 spodnej 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 zásobníka
Zásobník 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 TV
Objem zásobníka v základnom systéme je 228,7 litrov. Zníženie objemu zásobníka na 175 litrov vedie k zvýšeniu výkonu o takmer 30 kWh ročne (tab. 3).
 
Kolektorová plocha
Podľa 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 natáčacie 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 solárneho systému, a to nielen vzhľadom na zvýšenie jeho výkonu, ale aj z hľadiska šetrenia – či už špičkového zdroja tepla (a tým aj fosílnych palív), alebo nákladov na tieto primárne zdroje energie. V technickej literatúre možno nájsť mnoho spôsobov, 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 šírky zásobníka o 37 %, zväčšenie apertúrnej plochy kolektora o 8 % a zníženie jeho súčiniteľa tepelnej straty použitím vhodnejšej izolácie, najmä v spodnej časti kolektora. Treba však dodať že každý solárny energetický systém je iný.
 
Ing. Lukáš Skalík
Obrázky: autor

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

Literatúra
1.    Furbo, S.: Slides from Lecture 4, Low Flow Solar Heating Systems. In: Course 11117 Solar Heating Systems, DTU.
2.    Furbo, S.: Slides from Lecture 3, Heat Storage for Solar Heating Systems, In: Course 11117 Solar Heating Systems, DTU.
3.    Furbo, S. – Shah, L. J.:  How Mixing during Hot Water Draw-off Influences the Thermal Performance of Small Solar Domestic Hot Water Systems.
4.    http://www.schener.eu/o-solarnej-energii/.
5.    Hausner, R. – Fink, Ch.: Stagnation Behaviour of Thermal Solar Systems. AEE INTEC.
6.    http://www.ehow.com/how_7648716_prevent-glycol-overheat-solar-panel.html
7.    Furbo, S.: Educational Notes 4, Hot Water Tanks Storage for Solar Heating Systems. In: Course 11117 Solar Heating Systems, DTU.
8.    Weiss, W.: Solar Heating Systems for Houses – a Design Handbook for Solar Combisystems, IEA Task 26: Solar Combisystems. Germany, 2003.
9.    http://www.energysavers.gov/your_home/water_heating/index.cfm/mytopic=12900
10.    STN EN 15316-1: 2007 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinností systému.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.