zvysovanie vykonu a ucinnosti solarnych kolektorov v obytnych budovach
Galรฉria(9)

Zvyลกovanie vรฝkonu a รบฤinnosti solรกrnych kolektorov v obytnรฝch budovรกch

Partneri sekcie:

Energetickรฉ hodnotenie systรฉmov na bรกze obnoviteฤพnรฝch zdrojov energie podlieha metodikรกm odporรบฤanรฝch eurรณpskych noriem, vย ktorรฝch sa vรฝpoฤet รบฤinnosti odliลกuje podฤพa druhu obnoviteฤพnej energie. Akรฉ sรบ moลพnosti optimalizรกcie jednotlivรฝch komponentov aย parametrov slneฤnรฉho energetickรฉho systรฉmu (SES) na prรญpravu teplej vody vย budovรกch? Pokรบsime sa zodpovedaลฅ na tรบto otรกzku aย zรกroveลˆ sledovaลฅ cieฤพ zvyลกovania tepelnej รบฤinnosti 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 vรฝpoฤtu energetickรฝch poลพiadaviek systรฉmu aย รบฤinnostรญ systรฉmu.

o1 big image
o2 big image
o3 big image
o4 big image
o5 big image
o6 big image
o7 big image
o8 big image
Moลพnosti optimalizรกcie SES si ukรกลพeme na porovnanรญ parametrov vybranรฉho zรกkladnรฉho SES aย modelovรฉho novรฉho (vylepลกenรฉho) systรฉmu.ย 
ย 
Zรกkladnรฝ SES aย vรฝpoฤet jeho parametrov
Zรกkladnรฝ (beลพnรฝ) SES je podฤพa zjednoduลกenej schรฉmy na obr. 1 zloลพenรฝ zo solรกrneho kolektora, bivalentnรฉho zรกsobnรญka teplej vody (TV), elektrickej vรฝhrevnej vloลพky, ฤerpadla aย okruhu zรกloลพnรฉho zdroja tepla, naprรญklad kotla.

Vรฝpoฤty sa realizovali pomocou programu SpiralSol, ktorรฝ je urฤenรฝ pre zรกsobnรญky sย vnรบtornรฝm vรฝmennรญkom tepla. Zรกsobnรญk TV je kombinovanรฝ, jeho spodnรก ฤasลฅ 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 zamraฤenej oblohe).

Hodnoty zachytenej slneฤnej energie, ako aj hodnoty odobranej aย doplnkovej energie sa vypoฤรญtali pomocou programu SpiralSol. Vรฝkon systรฉmu, roฤnรฝ solรกrny podiel aย roฤnรฝ podiel solรกrneho systรฉmu na vykurovacom systรฉme sa urฤili vรฝpoฤtom. Vรฝpoฤet zachytenej slneฤnej 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 ฤerpadla 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 โ€“ย 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 roฤnรฉho solรกrneho podielu 47 % je vysokรฝ sรบฤiniteฤพ tepelnej straty solรกrneho kolektora 5,13 W/(m2 . K). Sย niลพลกรญm sรบฤiniteฤพom tepelnej straty vzrastรก hodnota vyuลพiteฤพnej solรกrnej energie ako aj celkovรฝ vรฝkon SES. Vลกetky vypoฤรญtanรฉ 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 slneฤnou radiรกciou aย pouลพรญva sa na nรกvrh aย inลกtalรกciu solรกrnych kolektorov. Vลกeobecne sa dรก povedaลฅ, ลพe ฤรญm vรคฤลกia je kolektorovรก plocha, tรฝm je aj vรฝkon systรฉmu vรคฤลกรญ.
ย 
Urฤenie plochy solรกrneho kolektora
Tรกto plocha zรกvisรญ od objemu zรกsobnรญka aย mala by zabezpeฤiลฅ 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 zabezpeฤuje 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 vรฝpoฤtov sย rozliฤnรฝmi 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
ฤŽalลกรญm veฤพmi dรดleลพitรฝm parametrom je voฤพba vhodnรฉho objemu zรกsobnรญka. Navrhovanie vรคฤลกรญch zรกsobnรญkov tepla nie je vhodnou alternatรญvou nielen zย dรดvodu vyลกลกรญch investiฤnรฝch nรกkladov, ale aj pre obmedzenรฉ priestory na umiestnenie takรฝchto zรกsobnรญkov vย obytnรฝch objektoch. Nevรฝhodou je aj prรญprava nadmernรฉho mnoลพstva TV, ktorรก sa vย koneฤnom dรดsledku nespotrebuje, resp. sa po ฤase ochladรญ, ฤรญm dochรกdza kย celkovรฉmu znรญลพeniu vรฝkonu SES, ako znรกzorลˆuje obr. 3.


Obr. 3 Vรฝkon SES podฤพa objemu zรกsobnรญka

Zmeny vรฝkonu vย zรกvislosti od objemu zรกsobnรญka sa urฤia 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 sรบฤasnosti vyrรกbanรฉ zรกsobnรญky, ktorรฉ sรบ vย ponuke rozliฤnรฝch vรฝrobcov, majรบ pomerne vyhovujรบci pomer vรฝลกky aย priemeru (v/d), pri poลพiadavke atypickรฉho zรกsobnรญka vลกak treba braลฅ ohฤพad aj na tรบto skutoฤnosลฅ. Veฤพkรฝ priemer, resp. pomer priemeru zรกsobnรญka kย jeho vรฝลกke mรก za nรกsledok neefektรญvne odovzdรกvanie tepla od solรกrnych kolektorov cez vรฝmennรญk umiestnenรฝ vย spodnej ฤasti zรกsobnรญka TV. Moลพno konลกtatovaลฅ, ลพe pomer vรฝลกky aย ลกรญrky, ktorรฝ sa pribliลพuje hodnote 2 aย vyลกลกej, je vo vรคฤลกine 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, ฤรญm 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 รบฤinnosลฅ solรกrneho kolektora vyลกลกia pri systรฉmoch so zรกsobnรญkmi sย vรคฤลกรญm pomerom.


Obr. 4 Vplyv pomeru vรฝลกky aย ลกรญrky zรกsobnรญka TV na vรฝkon SES

Pri zรกsobnรญkoch so zabudovanรฝm vรฝmennรญkom tepla, ktorรฉho vrchnรก ฤasลฅ sย objemom 80 l sa ohrieva doplnkovรฝm zdrojom tepla, sa dosahuje najvyลกลกรญ vรฝkon pri pomere vรฝลกky aย priemeru rovnรฉmu ฤรญslu 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 prekroฤenรญ urฤitej hranice pomeru. Zvyลกovanie tohto pomeru na zlepลกenie tepelnej stratifikรกcie je neefektรญvne aj zย dรดvodu nรกslednรฝch vรคฤลกรญch 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 รบฤinnosลฅ vย lete, vรคฤลกรญ uhol umoลพลˆuje stabilnejลกรญ vรฝkon poฤas zimy. Sprรกvna voฤพba sklonu kolektorovej plochy mรก rozhodujรบci vplyv na vรฝkonnosลฅ SES, najmรค pri systรฉmoch urฤenรฝch aj na podporu vykurovania. Vรฝkony pri rozliฤnรฝch uhloch sklonu kolektorovej plochy poฤas celรฉho roka sรบ uvedenรฉ vย tab. 5 aย na obr. 5. Zย vรฝpoฤtov je zrejmรฉ, ลพe najvhodnejลกรญ sklon solรกrnych kolektorov pri celoroฤnej 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
Vรฝpoฤet vรฝkonu SES pri rozliฤnรฝch uhloch sklonu kolektora sa odliลกuje aj vย jednotlivรฝch roฤnรฝch obdobiach (letnรฉ obdobie sa poฤรญta 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 vรคฤลกรญ uhol sklonu. ย Vย letnom obdobรญ, keฤ je intenzita slneฤnรฉho ลพiarenia vyลกลกia, je vรฝkon SES pribliลพne pรคลฅkrรกt vรคฤลกรญ 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 umiestลˆujรบ na strechu orientovanรบ na juh, (azimut 180, vo vรฝpoฤtoch 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 
Sรบฤiniteฤพ tepelnej straty kolektora aย tepelnรฉ mosty zรกsobnรญka
Vย danom systรฉme je hodnota sรบฤiniteฤพa tepelnej straty kolektora vyลกลกia ako 5 W/(m2ย .ย K), sย hodnotou 5,13 W/(m2 . K), ฤo spรดsobuje zlรฉ fungovanie SES aย priveฤพkรฉ straty tepla vย spodnej ฤasti kolektora.
Predpoklad aย okrajovรฉ podmienky:

  • znรญลพenie sรบฤiniteฤพa tepelnej straty kolektora na hodnotu 2 W/(m2 . K) aplikรกciou vhodnejลกej izolรกcie,
  • neberรบ sa do รบvahy tepelnรฉ mosty vย spodnej ฤasti 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 roฤne (tab. 3).
ย 
Kolektorovรก plocha
Podฤพa obr. 2, na ktorom je znรกzornenรก zรกvislosลฅ vรฝkonu SES od kolektorovej plochy, moลพno usรบdiลฅ, ลพe ฤรญm je plocha kolektorov vรคฤลกia, tรฝm je aj vรฝkon SES vรคฤลกรญ. Zย dรดvodov obmedzenej plochy strechy aย vyลกลกรญch investiฤnรฝch nรกkladov na solรกrne kolektory sa vลกak zvolila plocha sย veฤพkosลฅou 3 m2.

Sย cieฤพom potvrdiลฅ tieto predpoklady sa vypoฤรญtal novรฝ, resp. vylepลกenรฝ SES. Vย tab. 8 sรบ vypoฤรญtanรฉ hodnoty pรดvodnรฉho aย novรฉho SES, ako aj zmenenรฉ parametre.

Vรฝkon SES sa mรดลพe vylepลกiลฅ aj zmenou ฤalลกรญch 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 natรกฤacie 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 natรกฤacรญm zariadenรญm.


ย 
Zรกver
Zย uvedenรฝch vรฝpoฤtov SES vyplynulo, ลพe na posudzovanom pรดvodnom systรฉme by sa malo uskutoฤniลฅ niekoฤพko zmien sย cieฤพom zlepลกiลฅ jeho รบฤinnosลฅ aย vรฝkon. Keฤลพe rozliฤnรฉ 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€“ ฤi uลพ ลกpiฤkovรฉho 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. ฤo 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, ลกpiฤkovรฝ 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 %, zvรคฤลกenie apertรบrnej plochy kolektora oย 8 % aย znรญลพenie jeho sรบฤiniteฤพa tepelnej straty pouลพitรญm vhodnejลกej izolรกcie, najmรค vย spodnej ฤasti 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 Lulkoviฤovรก, 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 vรฝpoฤtu energetickรฝch poลพiadaviek systรฉmu aย รบฤinnostรญ systรฉmu.

ฤŒlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZBย HAUSTECHNIK.

Najฤรญtanejลกie