Správny návrh veľkosti zásobníka pre solárny systém

Pri správnom návrhu veľkosti zásobníka treba brať do úvahy aj množstvo spotrebovanej teplej vody v objekte. V súčasnosti sa kladie čoraz väčší dôraz na využívanie obnoviteľných zdrojov energie, z ktorých má veľký potenciál využiteľnosti práve slnečná energia. Vo väčšine prípadov je totiž energia dopadajúca na strechu budovy väčšia ako energia, ktorá sa v budove spotrebuje.

Intenzita slnečného žiarenia u nás predstavuje asi 1 100 kWh/m² za rok, kým priemerná spotreba v obytných domoch je len asi 150 kWh/m² na vykurovanie a 25 až 50 kWh/m² na chod elektrospotrebičov a varenie. Slnečná energia sa dá využiť na prípravu teplej vody alebo slúži aj ako podpora vykurovania pomocou slnečných termálnych kolektorov. Pri návrhu solárnych systémov je veľmi dôležitý správny návrh veľkosti zásobníka, pri ktorom treba brať do úvahy aj množstvo spotrebovanej teplej vody v danom objekte.

Obr. 1 Schéma zapojenia solárneho systému so zobrazením meracích miest

Solárny systém v rodinnom dome

Solárny systém rodinného domu, na ktorom sa uskutočnili experimentálne merania, pozostáva z troch plochých kolektorov umiestnených na južnej strane strechy rodinného domu a z 300-litrového zásobníka. Absorpčná plocha jedného kolektora je 1,78 m². Na obr. 1 je znázornená schéma zapojenia solárneho systému so zobrazením meracích miest. Pomocou meraní možno podrobne analyzovať prevádzkový režim domácnosti počas celého dňa alebo týždňa (teplota, množstvo a čas odberu ohriatej pitnej vody) alebo špecifikovať „energetické straty“ zásobníka teplej vody na základe meraných vstupných a výstupných energetických tokov. Výberom a analýzou príslušných meraných údajov možno sledovať a porovnávať aj energetické toky prevádzky. 

Obr. 2 Priebeh teplôt v exteriéri a interiéri

Experimentálne meranie prevádzkových parametrov

Na grafe na obr. 2 možno sledovať priebeh teploty v exteriéri a interiéri. Na grafe na obr. 3 sú znázornené teplota teplonosnej látky na vstupe do zásobníka, na výstupe zo zásobníka, teplota studenej vody na prívode do zásobníka a teplota vody na výstupe zo zásobníka do systému. Na grafe na obr. 4 vidieť priebeh množstva odobratej teplej a studenej vody za deň v litroch. Z obrázka sú zrejmé víkendové nárazové extrémy odberu.

Obr. 4 Spotreba teplej a studenej vody

Príprava teplej vody v zásobníku

Zásobníkový ohrev vody patrí vo všeobecnosti k bežne používanému spôsobu prípravy pitnej vody. Jeho výhodou je komfortný odber teplej vody bez dlhého čakania, a to aj v prípade nárazových odberov – samozrejme, len v prípade správneho návrhu veľkosti zásobníka, umiestnenia snímača teploty, nastavenia teploty spúšťajúcej dobíjanie zásobníka a hydrauliky (dispozičného tlaku). K ďalším pozitívam patrí veľkosť potrebného inštalovaného výkonu zdroja tepla, ktorý je v porovnaní s prietokovým ohrevom oveľa nižší. Najmä z tohto dôvodu sa pri väčšine solárnych systémov zabezpečuje ohrev pitnej vody práve zásobníkovým spôsobom. Zaužívanou optimalizáciou zásobníkových ohrievačov v kombinácii so solárnym systémom je spravidla použitie zásobníkového ohrievača s väčším objemom. Medzi hlavné teoretické podporné argumenty tohto opatrenia patria predpokladané zníženie počtu štartov čerpadla v solárnom systéme a súčasne kompenzácia vyššej teploty zásobníka v prípade použitia iného zdroja tepla. V zmysle zlepšenia energetickej bilancie zásobníkového ohrevu teplej vody prostredníctvom solárneho systému sa takýmto spôsobom snažíme o akumuláciu väčšieho množstva teplej vody s nižšou teplotou. Vplyvu takto navrhnutého zásobníkového ohrevu na celkovú energetickú účinnosť solárneho systému sa podrobne venuje nasledujúca analýza energetických tokov zásobníkového ohrevu teplej vody.

Obr. 5 Energetické toky a spotreba teplej vody zo zásobníka s objemom 300

Vplyv zásobníkového ohrevu na celkovú energetickú účinnosť solárneho systému  

V rámci experimentálneho merania sa na zásobníkovom ohrievači meralo nielen množstvo dodávanej tepelnej energie, ale aj množstvo tepelnej energie, ktorá sa odoberala zo zásobníkového ohrievača teplej vody. V tab. 1 možno sledovať spomínané energetické tepelné toky, skutočné množstvo spotrebovanej teplej vody alebo výslednú percentuálnu stratu disponibilnej tepelnej energie zásobníka teplej vody. Z uvedených hodnôt je zrejmé, že v prípade zásobníkového ohrevu ide o výrazný nepomer medzi množstvom tepelnej energie dodanej solárnym systémom a množstvom tepelnej energie, ktorá sa odobrala zo zásobníka. Hodnoty v poslednom riadku ukazujú, že 20. júla 2013 sa spotrebovalo 166 l teplej vody (7,39 kWh), s čím súvisí následné dobíjanie zásobníka a výrazný nárast spotreby energie na strane solárneho systému (13,66 kWh). Z pomeru spotrebovanej a odobratej energie možno ľahko vypočítať percentuálne využitie zásobníka, ktoré je uvedené v poslednom stĺpci tabuľky (v predmetnom dni 20. júla 2013 to bolo 54 %). Priebeh nameraných energetických tokov a skutočnú spotrebu teplej vody v domácnosti počas letnej prevádzky znázorňuje graf na obr. 5. Odobraté množstvo teplej vody (zelená čiara) reflektuje množstvo tepelnej energie (červená plná čiara), ktoré sa odobralo zo zásobníka vo forme ohriatej pitnej vody. Z grafického znázornenia je zrejmá aj reakcia regulácie solárneho systému v podobe opätovného „nabíjania“ zásobníkového ohrievača (modrá čiara), ktoré vizuálne korešponduje s odbermi teplej vody. Graf na obr. 6 znázorňuje percentuálne využitie disponibilnej tepelnej energie zásobníkového ohrievača teplej vody.

Obr. 6 Vplyv odobratej teplej vody na využitie disponibilnej energie

Záver

Na základe realizovaných meraní skutočného solárneho systému možno konštatovať, že veľkosť akumulačného zásobníka solárneho systému je v tomto prípade značne predimenzovaná – aj v najpriaznivejšom  dni sa zásobník využil len na 54 %. Pri návrhu veľkosti zásobníka by sa mali jednoznačne zohľadniť nielen celková plocha inštalovaných kolektorov, ale aj množstvo vody, ktoré domácnosť denne spotrebuje.

Obrázky: autorka
Literatúra
1.    EN 15316 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek účinnosti systémov. Časť 4-3. Systémy výroby tepla, solárne termálne systémy.
2.    Petráš, D. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Bratislava: JAGA Group, 2009.
3.    Lulkovičová, O. – Tomanová, K.: Energetické požiadavky a účinnosti solárnych termálnych systémov v budovách. In: Vykurovanie 2009. Zborník prednášok. Tatranské Matliare. Bratislava: SSTP, 2009, str. 293 – 296.
4.    Vyhláška MVD a RR SR č. 364/2012 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov.

Ing. Monika Novotná
Autorka pôsobí na Katedre TZB Stavebnej fakulty STU v Bratislave.
Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.

Článok bol uverejnený v TZB Haustechnik.