Zvyลกovanie vรฝkonu a รบฤinnosti solรกrnych kolektorov v obytnรฝch budovรกch
Energetickรฉ hodnotenie systรฉmov na bรกze obnoviteฤพnรฝch zdrojov energie podlieha metodikรกm odporรบฤanรฝch eurรณpskych noriem, vย ktorรฝch sa vรฝpoฤet รบฤinnosti odliลกuje podฤพa druhu obnoviteฤพnej energie. Akรฉ sรบ moลพnosti optimalizรกcie jednotlivรฝch komponentov aย parametrov slneฤnรฉho energetickรฉho systรฉmu (SES) na prรญpravu teplej vody vย budovรกch? Pokรบsime sa zodpovedaลฅ na tรบto otรกzku aย zรกroveล sledovaลฅ cieฤพ zvyลกovania tepelnej รบฤinnosti SES, aย teda aj jeho vรฝkonu, ktorรฝ je podmienkou vรฝraznejลกรญch รบspor energie aย nรกvratnosti systรฉmu. Vychรกdzaลฅ budeme zย normy STN EN 15316-1 Vykurovacie systรฉmy vย budovรกch. Metรณda vรฝpoฤtu energetickรฝch poลพiadaviek systรฉmu aย รบฤinnostรญ systรฉmu.
Moลพnosti optimalizรกcie SES si ukรกลพeme na porovnanรญ parametrov vybranรฉho zรกkladnรฉho SES aย modelovรฉho novรฉho (vylepลกenรฉho) systรฉmu.ยย
Zรกkladnรฝ SES aย vรฝpoฤet jeho parametrov
Zรกkladnรฝ (beลพnรฝ) SES je podฤพa zjednoduลกenej schรฉmy na obr. 1 zloลพenรฝ zo solรกrneho kolektora, bivalentnรฉho zรกsobnรญka teplej vody (TV), elektrickej vรฝhrevnej vloลพky, ฤerpadla aย okruhu zรกloลพnรฉho zdroja tepla, naprรญklad kotla.
Vรฝpoฤty sa realizovali pomocou programu SpiralSol, ktorรฝ je urฤenรฝ pre zรกsobnรญky sย vnรบtornรฝm vรฝmennรญkom tepla. Zรกsobnรญk TV je kombinovanรฝ, jeho spodnรก ฤasลฅ sa ohrieva solรกrnym kolektorom aย vrchnรก doplnkovรฝm zdrojom tepla โ kotlom sย vรฝkonom 15 kW (vย zime) alebo elektrickou vรฝhrevnou vloลพkou sย vรฝkonom 2 kW (vย prechodnom obdobรญ alebo pri zamraฤenej oblohe).
Hodnoty zachytenej slneฤnej energie, ako aj hodnoty odobranej aย doplnkovej energie sa vypoฤรญtali pomocou programu SpiralSol. Vรฝkon systรฉmu, roฤnรฝ solรกrny podiel aย roฤnรฝ podiel solรกrneho systรฉmu na vykurovacom systรฉme sa urฤili vรฝpoฤtom. Vรฝpoฤet zachytenej slneฤnej energie pomocou programu SpiralSol sa overil podฤพa rovnice (1) aลพ (4). Vรฝsledky pre zรกkladnรฝ systรฉm sรบ uvedenรฉ vย tab. 1.
Vyuลพiteฤพnรก solรกrna energia = odobranรก energia โ doplnkovรก energiaย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย (1)
1 678,2 kWh โ 895,1 kWh = 783,1 kWh
Vรฝkon systรฉmu = vyuลพiteฤพnรก solรกrna energia โ energia na pohon ฤerpadla โ MaRย ย ย ย ย ย ย ย ย (2)
783 100 Wh โ 63,9 Wh โ 2 W ร 2 131,3 h โย 1ย W ร 6 628,7 h = 772,145 kWh
Solรกrny podiel = vyuลพiteฤพnรก solรกrna energia / odobranรก energiaย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย (3)
783,1 kWh / 1 678.2 kWh ร 100 % = 47ย %
Podiel SES = vรฝkon systรฉmu / odobranรก energiaย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย ย (4)
772,145 kWh / 1ย 678,2 kWh ร 100 % = 46 %
Vyhovujรบci solรกrny podiel je vย rozsahu 50 aลพ 75 % [1] aย zรกleลพรญ od vyuลพiteฤพnej solรกrnej enerยญgie aย odobranej energie zo systรฉmu. Hlavnรฝm dรดvodom nรญzkej hodnoty roฤnรฉho solรกrneho podielu 47 % je vysokรฝ sรบฤiniteฤพ tepelnej straty solรกrneho kolektora 5,13 W/(m2 . K). Sย niลพลกรญm sรบฤiniteฤพom tepelnej straty vzrastรก hodnota vyuลพiteฤพnej solรกrnej energie ako aj celkovรฝ vรฝkon SES. Vลกetky vypoฤรญtanรฉ hodnoty takisto zรกvisia od klimatickรฝch podmienok danej lokality.
–>–>
Novรฝ modelovรฝ SES
Vย rรกmci novรฉho, modelovรฉho SES sa posudzovali tieto parametre:
- plocha solรกrneho kolektora,
- objem zรกsobnรญka TV,
- pomer vรฝลกky aย ลกรญrky zรกsobnรญka TV,
- sklon aย orientรกcia kolektorovej plochy.
ย
Na spresnenie treba dodaลฅ, ลพe vย technickรฝch dรกtach sa uvรกdza transparentnรก plocha solรกrneho kolektora, vย rieลกenom prรญpade je to vลกak apertรบrna plocha kolektora, ktorรก aktรญvne pracuje so slneฤnou radiรกciou aย pouลพรญva sa na nรกvrh aย inลกtalรกciu solรกrnych kolektorov. Vลกeobecne sa dรก povedaลฅ, ลพe ฤรญm vรคฤลกia je kolektorovรก plocha, tรฝm je aj vรฝkon systรฉmu vรคฤลกรญ.
ย
Urฤenie plochy solรกrneho kolektora
Tรกto plocha zรกvisรญ od objemu zรกsobnรญka aย mala by zabezpeฤiลฅ 85 aลพ 95 % potreby TV vย letnom obdobรญ. Pri plochom kolektore moลพno predpokladaลฅ 0,6 aลพ 0,8 m2/osoba potrebnรฝch na prรญpravu TV.
Pri SES, ktorรฝ zabezpeฤuje aj podporu vykurovania, sa vyลพaduje:
- 0,3 aลพ 0,5 m2 plochy kolektorov na m2 podlaลพnej plochy,
- 0,2 m2 vรกkuovรฉho kolektora na m2 podlaลพnej plochy [2].
ย
Na porovnanie vplyvu kolektorovej plochy na vรฝkon SES sa vykonalo devรคลฅ vรฝpoฤtov sย rozliฤnรฝmi plochami, vrรกtane jestvujรบcej kolektorovej plochy sย veฤพkosลฅou 2,78 m2 (tab. 2). Vลกetky ostatnรฉ premennรฉ sย vรฝnimkou objemovรฉho prietoku zostali nezmenenรฉ. Zย grafu na obr. 2 vidieลฅ zreteฤพnรฝ nรกrast vรฝkonu SES so vzrastajรบcou kolektorovou plochou.
Obr. 2 Vรฝkon SES podฤพa kolektorovej plochy
Objem zรกsobnรญka
ฤalลกรญm veฤพmi dรดleลพitรฝm parametrom je voฤพba vhodnรฉho objemu zรกsobnรญka. Navrhovanie vรคฤลกรญch zรกsobnรญkov tepla nie je vhodnou alternatรญvou nielen zย dรดvodu vyลกลกรญch investiฤnรฝch nรกkladov, ale aj pre obmedzenรฉ priestory na umiestnenie takรฝchto zรกsobnรญkov vย obytnรฝch objektoch. Nevรฝhodou je aj prรญprava nadmernรฉho mnoลพstva TV, ktorรก sa vย koneฤnom dรดsledku nespotrebuje, resp. sa po ฤase ochladรญ, ฤรญm dochรกdza kย celkovรฉmu znรญลพeniu vรฝkonu SES, ako znรกzorลuje obr. 3.
Obr. 3 Vรฝkon SES podฤพa objemu zรกsobnรญka
Zmeny vรฝkonu vย zรกvislosti od objemu zรกsobnรญka sa urฤia tak, aby pomer vรฝลกky aย priemeru zรกsobnรญka ostal nezmenenรฝ. Obr. 3 ukazuje, ako objem zรกsobnรญka tepla vplรฝva na jeho tepelnรฝ vรฝkon. Je zreteฤพnรฉ, ลพe objem zรกsobnรญka okolo 150 l vyhovuje danรฉmu SES najlepลกie. Sย rastรบcim alebo klesajรบcim objemom zรกsobnรญka (od 150 l) sa vรฝkon SES zniลพuje.
Pomer vรฝลกky aย priemeru ย zรกsobnรญka TV
Vย sรบฤasnosti vyrรกbanรฉ zรกsobnรญky, ktorรฉ sรบ vย ponuke rozliฤnรฝch vรฝrobcov, majรบ pomerne vyhovujรบci pomer vรฝลกky aย priemeru (v/d), pri poลพiadavke atypickรฉho zรกsobnรญka vลกak treba braลฅ ohฤพad aj na tรบto skutoฤnosลฅ. Veฤพkรฝ priemer, resp. pomer priemeru zรกsobnรญka kย jeho vรฝลกke mรก za nรกsledok neefektรญvne odovzdรกvanie tepla od solรกrnych kolektorov cez vรฝmennรญk umiestnenรฝ vย spodnej ฤasti zรกsobnรญka TV. Moลพno konลกtatovaลฅ, ลพe pomer vรฝลกky aย ลกรญrky, ktorรฝ sa pribliลพuje hodnote 2 aย vyลกลกej, je vo vรคฤลกine prรญpadoch vyhovujรบci. Vย takรฝchto prรญpadoch sa dosiahne vhodnรก teplotnรก stratifikรกcia vย zรกsobnรญku. Prรญliลก ลกtรญhla konลกtrukcia zรกsobnรญka mรก vลกak za nรกsledok zvรฝลกenie jeho tepelnej straty aย relatรญvne menลกiu vyuลพiteฤพnรบ tepelnรบ kapacitu.
Zย obr. 4 je zrejmรฉ, ลพe najlepลกie hodnoty vรฝkonu SES sa dosiahnu vtedy, ak hodnota pomeru vรฝลกky aย priemeru zรกsobnรญka TV je pribliลพne 3,5. Zvรฝลกenie alebo znรญลพenie tohto pomeru prinรกลกa znรญลพenie vรฝkonu SES, ฤรญm sa potvrdรญ, ลพe teplotnรก stratifikรกcia sa dosiahne lepลกie vย zรกsobnรญku sย vyลกลกou hodnotou pomeru, aย to zย dรดvodu niลพลกej tepelnej vodivosti vody smerom dole cez steny aย plรกลกลฅ zรกsobnรญka. Potreba doplnkovej energie, naprรญklad od kotla, bude preto niลพลกia aย รบฤinnosลฅ solรกrneho kolektora vyลกลกia pri systรฉmoch so zรกsobnรญkmi sย vรคฤลกรญm pomerom.
Obr. 4 Vplyv pomeru vรฝลกky aย ลกรญrky zรกsobnรญka TV na vรฝkon SES
Pri zรกsobnรญkoch so zabudovanรฝm vรฝmennรญkom tepla, ktorรฉho vrchnรก ฤasลฅ sย objemom 80 l sa ohrieva doplnkovรฝm zdrojom tepla, sa dosahuje najvyลกลกรญ vรฝkon pri pomere vรฝลกky aย priemeru rovnรฉmu ฤรญslu 3. Je to spรดsobenรฉ tรฝm, ลพe plocha zรกsobnรญka, aย tรฝm aj jeho tepelnรก strata sa zvyลกujรบ paralelne so zvyลกujรบcim sa pomerom vรฝลกky kย priemeru zรกsobnรญka za predpokladu, ลพe tento pomer nie je veฤพmi malรฝ. Problematickรฉ vลกak ostรกvajรบ zvรฝลกenรฉ tepelnรฉ straty zรกsobnรญka po prekroฤenรญ urฤitej hranice pomeru. Zvyลกovanie tohto pomeru na zlepลกenie tepelnej stratifikรกcie je neefektรญvne aj zย dรดvodu nรกslednรฝch vรคฤลกรญch tepelnรฝch strรกt zรกsobnรญka [3].ย
ย
Sklon kolektorovej plochy
Sklon strechy sa spravidla pohybuje vย rozsahu od 25 do 60 ยฐ. Menลกรญ uhol zvyลกuje energetickรบ รบฤinnosลฅ vย lete, vรคฤลกรญ uhol umoลพลuje stabilnejลกรญ vรฝkon poฤas zimy. Sprรกvna voฤพba sklonu kolektorovej plochy mรก rozhodujรบci vplyv na vรฝkonnosลฅ SES, najmรค pri systรฉmoch urฤenรฝch aj na podporu vykurovania. Vรฝkony pri rozliฤnรฝch uhloch sklonu kolektorovej plochy poฤas celรฉho roka sรบ uvedenรฉ vย tab. 5 aย na obr. 5. Zย vรฝpoฤtov je zrejmรฉ, ลพe najvhodnejลกรญ sklon solรกrnych kolektorov pri celoroฤnej prevรกdzke je od 45 do 50. Zvรฝลกenie alebo znรญลพenie tohto sklonu prinรกลกa znรญลพenie vรฝkonu SES.
ย Obr. 5 Vplyv sklonu kolektorovej plochy na vรฝkon SES
Vplyv sklonu kolektorovej plochy na vรฝkon SES vย zimnom aย letnom obdobรญ
Vรฝpoฤet vรฝkonu SES pri rozliฤnรฝch uhloch sklonu kolektora sa odliลกuje aj vย jednotlivรฝch roฤnรฝch obdobiach (letnรฉ obdobie sa poฤรญta od aprรญla do septembra aย zimnรฉ od oktรณbra do marca). Tab. 6 aย obr. 6 ukazuje, ลพe menลกรญ uhol sklonu kolektorovej plochy mรก za nรกsledok zvรฝลกenie vรฝkonu SES vย lete, naopak, vย zime zvyลกuje vรฝkon vรคฤลกรญ uhol sklonu. ย Vย letnom obdobรญ, keฤ je intenzita slneฤnรฉho ลพiarenia vyลกลกia, je vรฝkon SES pribliลพne pรคลฅkrรกt vรคฤลกรญ neลพ vย zimnom obdobรญ. Najvhodnejลกรญ sklon kolektorovej plochy pre letnรฉ obdobie je vย rozsahu od 35 do 40 ยฐ. So stรบpajรบcim uhlom sklonu kolektorovej plochy vย zimnom obdobรญ stรบpa aj vรฝkon SES.
ย Obr. 6 Vplyv sklonu kolektorovej plochy na vรฝkon SES vย letnom aย zimnom obdobรญ
Orientรกcia solรกrnych kolektorov
Vย ideรกlnom prรญpade sa solรกrne kolektory umiestลujรบ na strechu orientovanรบ na juh, (azimut 180, vo vรฝpoฤtoch uvaลพovanรฝ ako faktor 0). Zmena orientรกcie streลกnej roviny, resp. solรกrnรฝch kolektorov zย juhu naย vรฝchod (azimut 90 ยฐ) alebo zรกpad (azimut 270 ยฐ) spรดsobuje mierne znรญลพenie vรฝkonu SES โ pribliลพne do 10 % (obr. 7) โ rovnako ako vย prรญpade tienenia.
Na obr. 8 je znรกzornenรฝ vplyv orientรกcie solรกrnych kolektorov na vรฝkon SES. Odklon orientรกcie solรกrnych kolektorov od juhu zniลพuje vรฝkon SES.
ย
Predpoklady vylepลกenia zรกkladnรฉho systรฉmu
Parametre, ktorรฉ je vhodnรฉ zmeniลฅ sย cieฤพom zvรฝลกenia vรฝkonu SES:
ย
Sรบฤiniteฤพ tepelnej straty kolektora aย tepelnรฉ mosty zรกsobnรญka
Vย danom systรฉme je hodnota sรบฤiniteฤพa tepelnej straty kolektora vyลกลกia ako 5 W/(m2ย .ย K), sย hodnotou 5,13 W/(m2 . K), ฤo spรดsobuje zlรฉ fungovanie SES aย priveฤพkรฉ straty tepla vย spodnej ฤasti kolektora.
Predpoklad aย okrajovรฉ podmienky:
- znรญลพenie sรบฤiniteฤพa tepelnej straty kolektora na hodnotu 2 W/(m2 . K) aplikรกciou vhodnejลกej izolรกcie,
- neberรบ sa do รบvahy tepelnรฉ mosty vย spodnej ฤasti zรกsobnรญka.
Obr. 8 Vplyv orientรกcie solรกrnych kolektorov na vรฝkon SES
Pomer vรฝลกky aย priemeru zรกsobnรญka
Zรกsobnรญk mรก pomer vรฝลกky aย priemeru rovnรฝ 2,56. Zvรฝลกenie na hodnotu 3,5 zvรฝลกi vรฝkon oย pribliลพne 5 kWh za rok (obr. 4).
ย
Objem zรกsobnรญka TV
Objem zรกsobnรญka vย zรกkladnom systรฉme je 228,7 litrov. Znรญลพenie objemu zรกsobnรญka na 175 litrov vedie kย zvรฝลกeniu vรฝkonu oย takmer 30 kWh roฤne (tab. 3).
ย
Kolektorovรก plocha
Podฤพa obr. 2, na ktorom je znรกzornenรก zรกvislosลฅ vรฝkonu SES od kolektorovej plochy, moลพno usรบdiลฅ, ลพe ฤรญm je plocha kolektorov vรคฤลกia, tรฝm je aj vรฝkon SES vรคฤลกรญ. Zย dรดvodov obmedzenej plochy strechy aย vyลกลกรญch investiฤnรฝch nรกkladov na solรกrne kolektory sa vลกak zvolila plocha sย veฤพkosลฅou 3 m2.
Sย cieฤพom potvrdiลฅ tieto predpoklady sa vypoฤรญtal novรฝ, resp. vylepลกenรฝ SES. Vย tab. 8 sรบ vypoฤรญtanรฉ hodnoty pรดvodnรฉho aย novรฉho SES, ako aj zmenenรฉ parametre.
Vรฝkon SES sa mรดลพe vylepลกiลฅ aj zmenou ฤalลกรญch parametrov, ako je hrรบbka tepelnej izolรกcie stien zรกsobnรญka TV, dฤบลพka aย priemer potrubia (menลกรญ priemer aย dฤบลพka potrubia zlepลกia vรฝkon systรฉmu), meranie aย regulรกcia (typ, ลกtart/stop teplotnej diferencie aย podobne), objemovรฝ prietok teplonosnej lรกtky vย okruhu solรกrnych kolektorov, ako aj doplnkovรฝ zdroj tepla. Vย niektorรฝch prรญpadoch sa pouลพรญva aj natรกฤacie zariadenie, ktorรฉ sleduje pohyb slnka po oblohe aย smeruje solรกrne kolektory kolmo kย nemu, aย to buฤ horizontรกlnym (orientรกcia), vertikรกlnym (uhol sklonu) alebo vย najlepลกom prรญpade horizontรกlnym aj vertikรกlnym natรกฤacรญm zariadenรญm.
ย
Zรกver
Zย uvedenรฝch vรฝpoฤtov SES vyplynulo, ลพe na posudzovanom pรดvodnom systรฉme by sa malo uskutoฤniลฅ niekoฤพko zmien sย cieฤพom zlepลกiลฅ jeho รบฤinnosลฅ aย vรฝkon. Keฤลพe rozliฤnรฉ parametre systรฉmu majรบ vplyv na jeho celkovรฝ vรฝkon, je veฤพmi dรดleลพitรฝ sprรกvny nรกvrh solรกrneho systรฉmu, aย to nielen vzhฤพadom na zvรฝลกenie jeho vรฝkonu, ale aj zย hฤพadiska ลกetrenia โ ฤi uลพ ลกpiฤkovรฉho zdroja tepla (aย tรฝm aj fosรญlnych palรญv), alebo nรกkladov na tieto primรกrne zdroje energie. Vย technickej literatรบre moลพno nรกjsลฅ mnoho spรดsobov, ako zlepลกiลฅ systรฉm, resp. ฤo vziaลฅ do รบvahy pri nรกvrhu celรฉho systรฉmu. Pozornosลฅ pri nรกvrhu treba venovaลฅ hlavnรฝm faktorom, ako sรบ tepelnรฉ straty systรฉmu, objem zรกsobnรญka aย kolektorovรก plocha. To platรญ za predpokladu, ลพe aj ostatnรฉ parametre sรบ vhodne zvolenรฉ (sklon aย orientรกcia kolektora, tepelnรก izolรกcia, ลกpiฤkovรฝ zdroj tepla). Vรฝkon systรฉmu sa dรก zvรฝลกiลฅ oย viac neลพ 31 % (tab. 8) zmenou iba ลกtyroch parametrov, ako sรบ zmenลกenie objemu zรกsobnรญka oย 30 %, zvรฝลกenie pomeru vรฝลกky aย ลกรญrky zรกsobnรญka oย 37 %, zvรคฤลกenie apertรบrnej plochy kolektora oย 8 % aย znรญลพenie jeho sรบฤiniteฤพa tepelnej straty pouลพitรญm vhodnejลกej izolรกcie, najmรค vย spodnej ฤasti kolektora. Treba vลกak dodaลฅ ลพe kaลพdรฝ solรกrny energetickรฝ systรฉm je inรฝ.
ย
Ing. Lukรกลก Skalรญk
Obrรกzky: autor
Autor pรดsobรญ na Katedre technickรฝch zariadenรญ budov Stavebnej fakulty STU vย Bratislave.
Recenzovala: doc. Ing. Otรญlia Lulkoviฤovรก, PhD.
Literatรบra
1.ย ย ย Furbo, S.: Slides from Lecture 4, Low Flow Solar Heating Systems. In: Course 11117 Solar Heating Systems, DTU.
2.ย ย ย Furbo, S.: Slides from Lecture 3, Heat Storage for Solar Heating Systems, In: Course 11117 Solar Heating Systems, DTU.
3.ย ย ย Furbo, S. โ Shah, L. J.:ย How Mixing during Hot Water Draw-off Influences the Thermal Performance of Small Solar Domestic Hot Water Systems.
4.ย ย ย http://www.schener.eu/o-solarnej-energii/.
5.ย ย ย Hausner, R. โ Fink, Ch.: Stagnation Behaviour of Thermal Solar Systems. AEE INTEC.
6.ย ย ย http://www.ehow.com/how_7648716_prevent-glycol-overheat-solar-panel.html
7.ย ย ย Furbo, S.: Educational Notes 4, Hot Water Tanks Storage for Solar Heating Systems. In: Course 11117 Solar Heating Systems, DTU.
8.ย ย ย Weiss, W.: Solar Heating Systems for Houses โ aย Design Handbook for Solar Combisystems, IEA Task 26: Solar Combisystems. Germany, 2003.
9.ย ย ย http://www.energysavers.gov/your_home/water_heating/index.cfm/mytopic=12900
10.ย ย ย STN EN 15316-1: 2007 Vykurovacie systรฉmy vย budovรกch. Metรณda vรฝpoฤtu energetickรฝch poลพiadaviek systรฉmu aย รบฤinnostรญ systรฉmu.
ฤlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZBย HAUSTECHNIK.