1/143. Komplexní vzdělávací program pro. podporu environmentálně šetrných provozování budov

Transkript

1 1/143 Komplexní vzdělávací program pro podporu environmentálně šetrných technologií ve výstavbě a provozování budov

2 2/143 Solární tepelné soustavy Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní ČVUT v Praze

3 3/143 Sluneční energie sluneční záření základní pojmy dopadající energie

4 Rozlišení termínů 4/143 Sluneční energie x solární energie sluneční: přicházející od Slunce, související se Sluncem sluneční záření, sluneční aktivita, dopadající sluneční energie solární: využívající sluneční záření solární kolektor, solární soustava, využitá solární energie

5 Sluneční energie - původ 5/143 původ sluneční energie v jaderných reakcích jaderná syntéza kg/s H 2 na kg/s He při teplotách 10 6 K a tlacích MPa rozdíl hmot kg/s se vyzáří ve formě energie (E = m.c 2 ) 3, W 1367 W/m 2

6 Sluneční záření - pojmy 6/143 sluneční ozáření G [W/m 2 ] (nesp.intenzita sl. záření) - zářivý výkon dopadající na jednotku plochy (hustota zářivého toku) dávka ozáření H [kwh/m 2, J/m 2 ] hustota zářivé energie, hustota zářivého toku dopadající za určitý časový úsek, např. hodinu, den

7 Sluneční záření - pojmy 7/143 přímé sluneční záření (index b, beam) - dopadá na plochu bez rozptylu v atmosféře difúzní sluneční záření (index d, diffuse) - dopadá na plochu po změně směru vlivem rozptylu v atmosfére odražené sluneční záření (index r, reflected) - dopadá na plochu po odražené sluneční záření (index r, reflected) - dopadá na plochu po změně směru vlivem odrazu od terénu, budov, aj.

8 Sluneční záření - pojmy 8/143 odraz od molekul vzduchu, prachových částic, krystalků ledu odražené záření přímé záření difúzní záření odraz od terénu zdroj: solarpraxis

9 Přímé : difúzní = 50 : 50 % 9/143 9/ kwh/(m 2.měs) přímé 40 difúzní měsíc

10 Sluneční energie v číslech 10/143 zataženo polojasno jasno převážně difúzní převážně přímé dopadající energie: jasný den zima 3 kwh/(m 2.den) jaro, podzim 5 kwh/(m 2.den) léto 8 kwh/(m 2.den) výkon slunečního záření [W/m 2 ] zdroj: solarpraxis

11 Sluneční energie v Evropě 11/143 zdroj: PVGIS

12 Sluneční energie v České republice 12/143 zdroj: PVGIS

13 Sluneční energie v Německu 13/143 Německo a Česká republika podobné podmínky: 1000 až 1200 kwh/m 2 (s výjimkou jižního Německa) podobné solární soustavy podobné typy solárních kolektorů podobné roční tepelné zisky zdroj: PVGIS

14 Sluneční energie v České republice 14/143 Sluneční potenciál Rakouska začíná tam kde potenciál ČR končí... zkušenosti z Rakouska přenášet opatrně! zdroj: PVGIS

15 Optimální sklon? 15/143 jihovýchod - jihozápad východ jih západ

16 Různý optimální sklon pro solární zařízení 16/143 fotovoltaika 35 produkce el. energie produkce do veřejné sítě bez ohledu na místní odběr bez nutnosti akumulovat? fototermika 45 produkce tepla produkce pro místní spotřebu (odběr) nutnost akumulace omezený přenos solárního tepla sítěmi maximalizace zisku optimalizace zisku

17 17/143 Solární kolektory typy účinnost použití

18 Solární kolektor 18/143 Transparentní kryt Absorbér Sběrná trubka pro odvod tepla Izolace Trubky s teplonosnou látkou Rám kolektoru

19 Solární kolektory - rozdělení 19/143

20 Vzduchové solární kolektory 20/143 teplonosnou látkou je vzduch ohřívá se vně nebo uvnitř absorbéru použití: zemědělství sušení obytné budovy ohřev větracího vzduchu

21 Vzduchové solární kolektory 21/143 Zasklení Izolace Přírubový rám Žebrový absorbér Vana

22 Vzduchové solární kolektory 22/143

23 Vzduchové solární kolektory 23/143

24 Kapalinové solární kolektory 24/143 teplonosnou látkou je kapalina (voda, nemrznoucí směs, olej, atd.) energie pohlcená na povrchu absorbéru je odváděna teplonosnou látkou proudící uvnitř trubek absorbéru

25 Nekryté solární kolektory 25/143 teplotní hladiny do 40 C vhodné pro sezónní aplikace, ohřev bazénové vody výrazně závislé na okolních podmínkách (teplota, proudění vzduchu)

26 Kryté solární kolektory 26/143 jednoduché zasklení sklo s nízkým obsahem Fe 2 O 3 ( solární ) antireflexní povlaky prizmatické sklo Násobná zasklení tepelná ztráta zasklením cca % celk. ztráty násobná zasklení speciální struktury Antireflexní povlaky 1 % 100 % 91 % 4 % + 4 % 1 % 100 % 96 % 3 %

27 Ploché kryté solární kolektory 27/143 1 rám 2 těsnění 3 transparentní kryt 4 tepelná izolace 5 absorbér 6 trubkový registr

28 Ploché solární kolektory 28/143 výhodné z hlediska integrace do obálky budovy vysoký podíl aktivní plochy (apertury)

29 Ploché vakuové solární kolektory 29/143 podtlak pro omezení tepelných ztrát (absolutní tlak 1 až 10 kpa) zatížení plochého krycího skla (opěrky) sálání zadní strany absorbéru je nutné stínit

30 Vakuové trubkové solární kolektory 30/143 jednostěnná vakuová trubka plochý absorbér dvojstěnná vakuová trubka (Sydney) válcový absorbér vakuum 1 mpa

31 Vakuové trubkové solární kolektory 31/143 jednostěnná vakuová trubka ( evropský typ) dvojstěnná vakuová trubka ( čínský typ, Sydney)

32 Jednostěnné vakuové trubkové kolektory 32/143 tepelná trubice (TT) přímo protékaný registr (PP) TT PP velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru do kapaliny, resp. na výparník tepelné trubice

33 33/143 Vakuové trubkové solární kolektory zdroj: Viessmann

34 Dvojstěnné vakuové trubkové kolektory 34/143 tepelná trubice (TT) přímo protékaný registr (PP) TT PP kontaktní teplosměnná lamela je zcela nezbytným prvkem

35 Vakuové trubkové Sydney kolektory 35/143 kontaktní lamela napojení PP potrubí Sydney trubky reflektor zdroj: OPC

36 Vakuové trubkové Sydney kolektory 36/143

37 Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) 37/143 odvod tepla do teplonosné kapaliny sluneční energie pohlcená absorbérem teplo přijaté výparníkem tepelné trubice

38 Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) 38/143 suché napojení tepelné trubice zdroj: Viessmann kondenzátor uložen v pouzdru pouzdro omývané teplonosnou látkou

39 Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) 39/143 mokré napojení tepelné trubice kondenzátor tepelné trubice přímo omývaný teplonosnou látkou

40 Trubkové solární kolektory s reflektorem 40/143 zvýšení aktivní plochy kolektoru (apertury) zrcadlový odraz difúzní odraz trvanlivost optické kvality odrazného plechu zachycování a akumulace sněhu (ledu), poničení trubek

41 Koncentrační solární kolektory 41/143 koncentrace přímého slunečního záření odrazem (zrcadla) x lomem (čočky) lineární ohnisko parabolický reflektor Winstonův kolektor kolektor s Fresnellovou čočkou bodové ohnisko paraboloidní reflektor fasetové reflektory, heliostaty

42 Koncentrační solární kolektory (odraz) 42/143

43 Kolektory s Fresnellovými čočkami (lom) 43/143 přechod mezi aktivními a pasivními prvky

44 Solární kolektory - princip 44/143 Odraz na zasklení Odraz na absorbéru Tepelná ztráta zasklením Odvod tepla teplonosnou látkou pro využití Dopadající sluneční záření Tepelné ztráty zadními a bočními stěnami

45 Účinnost solárního kolektoru 45/143 η = =τα F' ταu U ( t ( t t t) ) abs m G e G e F... účinnostní součinitel kolektoru > 0.90 závisí na geometrii a tepelných vlastnostech absorbéru t m... střední teplota teplonosné kapaliny v kolektoru t m = (t k1 +t k2 )/2

46 Účinnostní součinitel kolektoru F 46/143 závisí na geometrických vlastnostech absorbéru geometrických vlastnostech absorbéru: rozteč trubek, průměr trubek, tloušťka spoje trubka-absorbér, tloušťka absorbéru fyzikálních vlastnostech absorbéru: tepelná vodivost absorbéru, tepelná vodivost spoje trubkaabsorbér proudění uvnitř trubek: přestup tepla ze stěny trubky do kapaliny celkový součinitel prostupu tepla kolektoru U

47 Vliv materiálu a geometrie absorbéru 47/143 1,0 1,0 měď (Cu) 390 W/(m.K) W = 50 mm 0,8 hliník (Al) 250 W/(m.K) 0,8 W = 125 mm ocel (Fe) 100 W/(m.K) W = 200 mm 0,6 0,6 η [-] η [-] 0,4 0,4 0,2 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/G [m 2.K/W] 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/G [m 2.K/W]

48 Plastové absorbéry 48/143 tepelná vodivost plastů: 0,2 W/(m.K) pro zajištění dostatečného přenosu tepla: malé rozteče trubek silné stěny měď: 390 W/(m.K)

49 Vliv spoje na účinnost 49/143 přiložený naklapnutý

50 Trubkové Sydney kolektory - lamela 50/143 dáno Sydney trubkou η = F' τ α U ( t t ) m G e kontaktní lamela: krátká, vodivá, silná, s velmi těsným kontaktem

51 Vliv kontaktní lamely na účinnost (PP) 51/143 Vakuové Sydney kolektory s přímo protékaným (PP) U-registrem G > 700 W/m 2 kontaktní lamela je zásadním prvkem Sydney kolektoru

52 Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) 52/143 ČSN EN ,2 (v českém překladu) Zkoušky výkonové tepelný výkon a účinnost kolektoru modifikátor úhlu dopadu (vliv úhlu dopadu na výkon kolektoru) účinná tepelná kapacita kolektoru (setrvačnost kolektoru), časová konstanta

53 53/143 Účinnost solárního kolektoru ( ) G t t a G t t a e m e m = η η k k s k A G t t c M Q Q = = ( 1 ) 2 & & & η η A k G = η protokol o zkoušce podle ČSN EN t k1 t k2 G M.

54 Účinnost solárního kolektoru (měření) 54/143 regresní parabola proložená naměřenými hodnotami y = a + bx + cx 2 η = η t t t t G m e m e 0 a1 a2 G G 2 η 0 a 1 optická účinnost [-], správně: účinnost při nulové tepelné ztrátě obecně η 0 = F τα součinitel tepelné ztráty (lineární) [W/(m 2.K)] } a 1+a 2 (t m - t e ) = F U a 2 součinitel tepelné ztráty (kvadratický) [W/(m 2.K 2 )] hodnoty η 0, a 1, a 2 udává výrobce, dodavatel kolektoru, případně zkušebna na základě zkoušky v souladu s EN

55 Plocha solárního kolektoru 55/143 hrubá plocha: A G plocha apertury: A a plocha absorbéru: A A

56 Plocha solárního kolektoru 56/143 A A A A A A A a A a A a

57 Plocha solárního kolektoru 57/143 A a = 0,9 A G A a = 0,75 A G A a = 0,6 A G A a = 0,8 A G

58 58/143 Účinnost solárního kolektoru A a A G 1,0 plochý 0,8 trubkový s plochým absorbérem trubkový s válcovým absorbérem 0,6 η [-] 0,4 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 (t m - t e )/G [m 2.K/W]

59 Solární kolektory - aplikace 59/143

60 Výkon solárního kolektoru 60/143 výkon solárního kolektoru (kolmý dopad, jasná obloha) Q& k = A [ η G a k ( t t ) a ( t t 0 1 m e 2 m e ) 2 ] instalovaný (nominální, jmenovitý) výkon solárního kolektoru pro definované podmínky (podle ESTIF): G = 1000 W/m 2 t e = 20 C t m = 50 C špičkový výkon kolektoru (bez tepelných ztrát) Q& = A η G k k 0 G = 1000 W/m 2

61 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 61/143 křivka účinnosti platí pro kolmý úhel dopadu θ = 0 x během roku θ 0 η( θ ) = η ( θ ) a 0 1 t m t G e a 2 ( t m t G e ) 2 incidence angle modifier (IAM) vliv úhlu dopadu slunečního záření na účinnost kolektoru, optická charakteristika kolektoru, činitel úhlové korekce η ( θ ) 0 K θ = = η0(0 ) F' ( τα) F'( τα) θ n osově symetrické kolektory: K θ (θ) osově nesymetrické kolektory: K θ (θ) = K L (θ L ) K T (θ T )

62 Opticky osově nesymetrický kolektor 62/143 K θ = K θ,l (θ L ). K θ,t (θ T )

63 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 63/143 plochý kolektor trubkový kolektor s plochým absorbérem 1,6 1,6 1,4 1,4 1,2 1,2 1,0 K θ,l = K θ,t 1,0 K θ,t K θ [-] 0,8 K θ [-] 0,8 K θ,l 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0, θ [ ] 0, θ [ ]

64 Modifikátor úhlu dopadu (K θ, IAM) 64/143 trubkový kolektor s válcovým absorbérem bez reflektoru trubkový kolektor s válcovým absorbérem s reflektorem 1,6 1,6 1,4 K θ,t 1,4 1,2 1,2 K θ,t 1,0 1,0 K θ [-] 0,8 K θ,l K θ [-] 0,8 K θ,l 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0, θ [ ] 0, θ [ ]

65 Výkon kolektoru v reálných podmínkách 65/143 ze zkoušky tepelného výkonu podle EN : křivka účinnosti η = η 0 a 1 t m t G e a 2 ( tm t G e ) 2 ze zkoušky modifikátoru podle EN : křivka modifikátoru K θ,b η0( θ ) = η (0 ) 0 π / 2 K θ, d = K ( θ )sin2θdθ 0 výkon kolektoru pro obecné podmínky (přímé, difúzní záření) Q& k = A [ η a 0 2 ( K G + K G ) a ( t t ) a ( t t ) ] θ,b b,t θ,d d,t 1 m e 2 m e

66 Výkon kolektoru v reálných podmínkách 66/ jasný den sluneční ozáření 800 plochý atmosférický reálný trubkový vakuový W/m oblačný den :00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

67 Výkonnost solárního kolektoru 67/ k ploše apertury A a t m = 40 C 500 kwh/m 2.rok PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3

68 Výkonnost solárního kolektoru 68/ t m = 40 C k hrubé ploše A G 500 kwh/m 2.rok PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3

69 Výkonnost solárního kolektoru 69/ k ploše apertury A a t m = 80 C k hrubé ploše A G 500 kwh/m 2.rok PK1 PK2 PK3 PK4 TP1 TV1 TV2 TV3 TV4 TR1 TR2 TR3

70 Závěry 70/143 Pro zhodnocení výkonnosti solárního kolektoru: nestačí pouze informace o typu kolektoru (plochý atmosférický, vakuový s plochým absorbérem, vakuový Sydney s reflektorem, vakuový Sydney bez reflektoru) nestačí pouze křivka účinnosti, je nutné znát i optickou charakteristiku (zvláště u trubkových kolektorů) je nutné znát provozní a klimatické podmínky v jakých bude solární kolektor nasazen je nutné znát konkrétní účel hodnocení vztažení výkonnosti na plochu apertury nebo na hrubou plochu?

71 Porovnání ceny solárních kolektorů 71/ Kč/m 2 bez DPH Kč/m Kč/m ploché atmosférické kolektory trubkové vakuové s plochým absorbérem trubkové vakuové Sydney bez reflektoru trubkové vakuové Sydney s reflektorem Kč/m Kč/m

72 Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) 72/143 protokol o zkouškách v souladu s ČSN EN křivka výkonu a účinnosti vnitřní přetlak odolnost proti vysokým teplotám vystavení vnějším vlivům vnější tepelný ráz vnitřní tepelný ráz průnik deště (zasklené) mechanické zatížení odolnost proti nárazu žádné jiné certifikáty k prokázání vlastností nejsou potřeba!

73 Solar Keymark 73/143 Certifikační značka kvality (vlastník CEN) průmyslově vyráběné solární kolektory, solární soustavy dobrovolná certifikace třetí stranou, komplexní shoda s danou EN nejde o CE značku! (shoda s evropskými směrnicemi nebo normami), u běžných kolektorů nelze získat zdokumentovaná inspekce výroby (ISO 9000) inspektor vybírá jakýkoli kolektor ze skladu / výroby kontinuální shoda (stálý dohled - revize výrobku v časových intervalech) cca 30 laboratoří zmocněných pro udělování značky informace: kolektor prošel VŠEMI zkouškami požadovanými EN neříká, zda kolektor JE nebo NENÍ účinný, pouze neměnnost účinnosti

74 74/143 Solární soustavy parametry druhy a příklady navrhování

75 Druhy - aplikace 75/143 příprava teplé vody příprava teplé vody a vytápění (kombinované) ohřev bazénové vody technologický ohřev solární chlazení... solární CZT teplovzdušné (větrání, vytápění) bytové domy Orlová

76 Solární soustavy podle plochy 76/143 malé soustavy (< 20 m 2 ) rodinné domy, malé firmy,... střední soustavy (< 200 m 2 ) zdravotnická a sociální zařízení, pečovatelské ústavy, sportovní zařízení a plovárny, hotely, školy s celoročním provozem,... velké soustavy (> 200 m 2 ) soustavy centrálního zásobování teplem, výtopny pro sídliště (výhodná kombinace s biomasou), potravinářský a chemický průmysl, sportovní stadiony,...

77 Solární soustavy podle průtoku 77/143 s vysokým průtokem (high-flow): 50 až 90 l/h.m 2 tradiční osvědčený provoz, pomalý náběh zásobníku, zvýšení teploty teplonosné látky v kolektoru o 8 až 15 K s nízkým průtokem (low-flow): 10 až 20 l/h.m 2 výrazně snížený průtok, zvýšení teploty až o 50 K, výhodné pouze ve spojení se stratifikačními zásobníky malé dimenze, malé ztráty, sériové zapojení kolektorů teplo o využitelné teplotě, snížení četnosti dohřevu, vyšší energetické výnosy (o 5 až 20%) s proměnným průtokem (matched-flow) 10 až 40 l/h.m 2 optimalizace provozu soustavy, např. regulace na konstantní výstupní teplotu

78 Bilance solární soustavy 78/143

79 Parametry solární soustavy 79/143 Roční solární zisk [kwh/rok] dodaný do solárního zásobníku Q k dodaný do odběru (spotřebiče) využitý zisk soustavy Q ss,u Roční úspora energie Q u [kwh/rok] závisí na skutečné provozní účinnosti nahrazovaného zdroje tepla η nz jak ji určit? je známa? spotřeba provozní el. energie pro pohon solární soustavy podklad pro výpočet úspory primární energie, úspory emisí

80 Parametry solární soustavy 80/143 Měrný roční solární zisk q ss,u [kwh/(m 2.rok)] vztažený k ploše apertury kolektoru A a měrná roční úspora nahrazované energie ekonomické kritérium: úspora / m 2 x investice / m 2 Solární pokrytí, solární podíl f [%] f = 100 * využitý zisk / potřeba tepla (procentní krytí potřeby tepla) Spotřeba pomocné elektrické energie Q pom,el [kwh/rok] odhad: provoz 2000 h x příkon el. zařízení (čerpadla, pohony, reg.) běžně do 1 % ze zisků ~ COP solární soustavy > 100

81 Solární soustavy v ČR 81/143 bytový sektor příprava teplé vody, vytápění, ohřev bazénové vody rodinné domy, velmi omezeně bytové domy terciární sektor příprava teplé vody, ohřev bazénové vody domovy důchodců, ústavy sociální péče, koupaliště, hotely, sportovní centra, vzdělávací zařízení, nemocnice zanedbatelně administrativa (kanceláře, banky) průmysl příprava teplé vody, technologické teplo (téměř nic)

82 Solární soustavy pro přípravu TV 82/143 rodinné domy (3 až 6 m 2 ; 250 až 400 l), solární podíl 50 až 70 % solární zisky 300 až 400 kwh/m 2.r bytové domy, ústavy, hotely,... (od 25 až 200 m 2 ; 1 až 8 m 3 ), solární podíl 40 až 50 % solární zisky 400 až 500 kwh/m 2.r předehřev teplé vody solární podíl 20 až 40 % solární zisky 500 až 600 kwh/m 2.r

83 83/143 Solární soustavy pro přípravu TV DD Hvízdal České Budějovice, 127 m2 DPS Ostrava, 165 m2 DPS Jihlava, 120 m2

84 Solární soustavy pro přípravu TV 84/143 Výukové a rekreační středisko Herbertov, 100 m 2 Rehabilitační zařízení Slapy (SS+TČ pro TV+BV), 48 m 2 Výzkumná stanice Antarktida, 12 m 2 (TV) + 36 m 2 (vzduch) Hotel Liberec, 96 m 2

85 Solární soustava Meziboří příprava TV 85/143 správní objekt firmy Doterm Servis realizace 1996 kancelářské prostory dílny turistická ubytovna měření za více než 12 let 15 ks plochých kolektorů Heliostar = 27 m 2

86 Solární soustava Meziboří příprava TV 86/ kwh leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec

87 Solární soustava Meziboří příprava TV 87/143 roční spotřeba TV: 130 až 150 m 3 (vysoký podíl tepelných ztrát TV+solar) kwh/(m 2.rok); m kwh/(m 2.rok) spotřeba TV [m3] měrné zisky [kwh/m2.rok]

88 Kombinované solární soustavy (TV+VYT) 88/143 rodinné domy (6 až 12 m 2 ; 1000 až l) solární podíl: standardní domy 10 až 20 % solární zisky 250 až 350 kwh/m 2.r nízkoenergetické, pasivní domy 20 až 40 % bytové domy (40 až 200 m 2 ; 4 až 16 m 3 ) solární podíl 10 až 20 % solární zisky 350 až 450 kwh/m 2.r

89 Příprava teplé vody a vytápění 89/143 RD Čerčany, 9.3 m 2, TV + vytápění přímá + nepřímá integrace do fasády RD Úvaly, 6 m 2, TV + vytápění šikmá střecha RD Mnichovice, 7,4 m 2, TV + vytápění plochá střecha

90 Příprava teplé vody a vytápění 90/143 Pension u Bártů, Soběslav, 14 m 2 teplá voda, vytápění MŠ Proskovice, Ostrava, 120 m 2 SS+DK, teplá voda, vytápění SOU Zelený Pruh, Praha, 209 m 2 teplá voda, vytápění, bazén

91 Solární soustava Mnichovice (TV + VYT) 91/143 rodinný dům, 4 osoby, ztráta 5,2 kw, plocha kolektorů 7,3 m 2, sklon 60 monitoring: regulátor, měřicí ústředna, kalorimetr (cejch na vodu)

92 Solární soustava Mnichovice (TV + VYT) 92/ vyhodnocení za rok 2009 dodané teplo z kolektorů Qk,u spotřeba energie Qk,u + Qd,el kwh měrné využité zisky 270 kwh/(m 2.rok) leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec

93 Ohřev bazénové vody 93/143 celoroční využití kryté bazény sezónní využití otevřené, venkovní bazény pokrytí tepelných ztrát z hladiny bazénu, ohřev přiváděné čerstvé vody bazén jako akumulátor tepla kombinace přípravy teplé vody a ohřevu bazénové vody solární zisky nad 500 kwh/m 2.r

94 Ohřev bazénové vody 94/143 Aquapark Ostrava Zábřeh, 157 m 2 Hotel Jezerka, Ústupky, 240 m 2 příprava TV, venkovní a vnitřní bazén Plavecký bazén, Jindřichův Hradec, 256 m 2 Koupaliště Rusava, 550 m 2

95 Solární soustava Rusava (BV) 95/143 největší solární soustava v ČR: 540 m 2 kolektorové plochy přírodní koupaliště v Rehabilitačním centru Podhostýnského mikroregionu bazén 15 x 43 m, 1000 m 3, brouzdaliště 22 m 3, skluzavky z 9 m

96 Solární soustava Rusava (BV) 96/143

97 Celoroční zisky 450 až 540 kwh/m MWh 443 kwh/m MWh 461 kwh/m MWh 535 kwh/m MWh 487 kwh/m MWh 466 kwh/m 2 97/143 kwh/měs XII.04 III.05 VI.05 IX.05 XII.05 III.06 VI.06 IX.06 XII.06 III.07 VI.07 IX.07 XII.07 III.08 VI.08 IX.08 XII.08 III.09 VI.09 IX.09 XII.09

98 Provoz až 400 kwh/m MWh 335 kwh/m MWh 352 kwh/m MWh 391 kwh/m MWh 365 kwh/m MWh 348 kwh/m 2 98/143 kwh/měs XII.04 III.05 VI.05 IX.05 XII.05 III.06 VI.06 IX.06 XII.06 III.07 VI.07 IX.07 XII.07 III.08 VI.08 IX.08 XII.08 III.09 VI.09 IX.09 XII.09

99 Solární soustava Rusava (BV) 99/ levé pole pravé pole krádež 22 kolektorů z pravého pole + dalších 6 odstaveno MWh/rok

100 Centrální zásobování solárním teplem 100/143 solární soustavy pro přímý ohřev CZT (SE, DK) připojení přímo na teplovodní síť (léto) nárazový denní zásobník, bez zásobníku (akumulace v rozvodné síti) předehřev: zpátečky CZT, pitné vody solární podíl 5 až 10 % Kungälv (SE), 2000 Saltum (DK), 1987

101 Centrální zásobování solárním teplem 101/143 velkoplošné solární soustavy se sezónními zásobníky 1000 až m až m 3 DE (Solarthermie 2000), DK, NL solární podíl 40 až 50 % (cíl: 80 %) solární zisky 300 až 400 kwh/m 2.r

102 Solární soustavy se sezónní akumulací 102/143

103 Sezónní akumulace pro vytápění 103/143 solární kolektory: 148 m 2 sezónní zásobník: 1100 m 3 Dům sociální péče Slatiňany tepelné čerpadlo 37 kw podlahové vytápění

104 Technologické teplo 104/143 Bioreaktor pro pěstování řas Ústav fyzikální biologie Jihočeské univerzity Nové Hrady Fresnellovy čočky 120 m 2 ploché kolektory 32 m 2

105 Solární absorpční chlazení 105/143 Administrativa Instaplast, 99 m 2 velkoplošné stěnové chlazení Hotel Duo Praha, 448 m 2 teplá voda, bazén, chlazení

106 106/143 Navrhování a bilancování potřeba tepla zisky solární soustavy zjednodušená bilanční metoda podle TNI simulační nástroje

107 Potřeba tepla 107/143 snížit spotřebu tepla - úsporná opatření provádět jako první! analyzovat skutečnou spotřebu tepla (!) příprava teplé vody úsporné armatury, zaregulování a zaizolování rozvodů, řízení cirkulace TV podle času a teploty vytápění nízkoenergetické a energeticky pasivní domy (zateplení, okna, mechanické větrání se zpětným získáváním tepla)

108 Potřeba teplé vody 108/143 stávající budovy: nutné vycházet ze skutečné spotřeby TV v objektu dlouhodobé měření na patě objektu zohlednění teplotní úrovně měření skutečné spotřeby tepla souhrnné údaje za delší časové období (poslední rok) několik celodenních měření příložnými průtokoměry na patě objektu

109 Potřeba teplé vody 109/143 novostavby: nejsou k dispozici reálná data směrné hodnoty z literatury bytové objekty (60 / 15 C) nízký standard střední standard vysoký standard 10 až 20 l/os.den 20 až 40 l/os.den 40 až 80 l/os.den ENERGO 2004: 49 l/os.den, vč. ztrát další údaje lze nalézt v ČSN EN , VDI , Sešit projektanta Solární tepelné soustavy

110 Potřeba teplé vody 110/143 zásadně nepoužívat údaje o potřebě TV z normy ČSN Ohřívání užitkové vody Navrhování a projektování 82 l/os.den (55 / 10 C); 4,3 kwh/os.den norma je určena pro návrh objemu a tepelného příkonu ohřívače (vyhovět i extrémním podmínkám) nevhodné pro návrh solárních soustav předimenzované plochy vedou k četným odstávkám zvláště během léta primární okruh pracuje s vysokou provozní teplotou nízká účinnost solárních kolektorů vysoké tepelné ztráty rozvodů a solárních zásobníků

111 Profil potřeby tepla na přípravu TV 111/143 letní pokles (bytové domy) oproti zimnímu období: školní prázdniny, dovolená vyšší teplota studené vody chování uživatelů (letní sprcha, zimní vana) 25 %

112 Měření v BD Stodůlky 112/ odběr teplé vody teplota studené vody % V [l/týden] ,3 C t SV [ C] 5000 t = 13 K 6,4 C

113 Tepelné ztráty přípravy TV 113/143 Q = Q = Q + Q = 1+ paušální přirážka ( ) p, c p, TV TV z, TV TV z Q Typ přípravy TV z Lokální průtokový ohřev 0.00 Centrální zásobníkový ohřev bez cirkulace 0.15 Centrální zásobníkový ohřev s řízenou cirkulací 0.30 Centrální zásobníkový ohřev s neřízenou cirkulací 1.00 CZT, příprava TV s meziobjektovými přípojkami, TV, CV > 2.00 zdroj: TNI Energetické hodnocení solárních tepelných soustav Zjednodušený výpočtový postup

114 Potřeba tepla na vytápění 114/143 ČSN EN ISO Energetická náročnost budov Výpočet potřeby energie na vytápění a chlazení měsíční bilance, okrajové podmínky TNI , TNI stupeň využití solárních a vnitřních tepelných zisků na základě akumulační schopnosti objektu (výpočet tepelné kapacity, časové konstanty) denostupňová metoda zjednodušené stanovení (TNI ) měsíční bilance, na základě venkovní teploty z výpočtové tepelné ztráty korekční součinitel: 0.75 (standard), 0.60 (nízkoenergetické), 0.50 (pasivní) Q VYT = 24 ε Q& z ( t t ) ip ( t t ) iv ep ev

115 Tepelné ztráty otopné soustavy 115/143 tepelné ztráty otopné soustavy Q z,vyt vlastní ohřev otopné vody (kombinovaný zásobník, část pro OS) rozvod otopné vody (tepelné ztráty do nevytápěných místností) setrvačnost otopné soustavy (přetápění, zvýšení dodávky energie) podrobný výpočet (precizní, náročný na vstupní údaje) ČSN EN : sdílení tepla ( účinnost otopných ploch) ČSN EN : rozvody tepla (otopné vody) paušální přirážka - zjednodušené stanovení (TNI ) Q p, VYT = Q + Q = 1 VYT z, VYT ( + v ) QVYT

116 Návrh plochy a bilancování zisků 116/143 simulační programy (doporučeno pro navrhování a bilancování) Polysun 4 (Professional, Designer), T-Sol (Professional, Expert), GetSolar, TRNSYS... simulace s hodinovým krokem a menším, dynamické modely prvků (zásobník, kolektor), hodinové klimatické údaje pro různé oblasti náročné na vstupní údaje, které často nejsou k dispozici (modifikátor úhlu dopadu, rozměry potrubí, tloušťky izolací, profily spotřeby, atd.) nutná (letitá) zkušenost cena (x0.000 Kč)

117 Návrh plochy a bilancování zisků 117/143 zjednodušené metody TNI Energetické hodnocení solárních tepelných soustav vydal ÚNMZ, 2009 program Bilance SS 5.4 (měsíční bilance, Excel podle TNI ) zdarma ke stažení na ČSN EN Tepelné soustavy v budovách... Výroba tepla na vytápění, tepelné sluneční soustavy (v angl. jazyce) f-chart metoda = korelační výpočet na základě x1000 simulací ze 70. let solární pokrytí v jednotlivých měsících = f (X, Y) vstupní údaje: průměrná teplota, průměrná intenzita záření (včetně noci) referenční teplota: pro přípravu TV: 90 až 140 C (???) fyzikálně nejasné parametry, pro pochopení nutné hlubší znalosti

118 Bilancování energetických zisků 118/143 metodika ( TNI , ÚNMZ 2009) původně vytvořeno pro Operační program Životní prostředí (jako pomoc auditorům), použito v Zelená úsporám (výpočet kritéria pro udělení dotace) audity: měrné zisky > 600 kwh/m 2.rok při pokrytí > 60 % zjednodušený výpočtový postup jednoduchý výpočet s použitím Excel, minimalizace vstupů (oproti simulacím) uvažování konstantní střední teploty v kolektorech v celém roce, nezohlední velikost zásobníku a změnu teploty s navrženou plochou (předimenzování nárůst teploty, poddimenzování pokles teploty) započtení tepelných ztrát solární soustavy paušální srážkou ze zisků v měsíční bilanci nelze přesně zahrnout vliv modifikátoru úhlu dopadu, aj. optimistické výsledky, omezená platnost pro pokrytí 30 do 75 %

119 Teoreticky využitelný zisk kolektorů 119/143 teoreticky využitelný tepelný zisk Q k,u [kwh/m 2 ] solárních kolektorů v daném období (den, měsíc) Q ( p) k, u = 0,9 ηk HT,den Ak 1 kwh/den skutečná denní dávka slunečního ozáření plochy kolektoru H T,den tabulky v TNI jednotné klimatické údaje účinnost solárního kolektoru v dané aplikaci η k tepelné ztráty solární soustavy paušální procentní srážka p tabulky v TNI podle typu a velikosti solární soustavy

120 Účinnost solárního kolektoru 120/143 účinnost solárního kolektoru η k (střední denní, resp. měsíční účinnost) η k =η a 0 1 t k,m G t T,m e,s a 2 ( t t ) pro průměrnou teplotu kapaliny t k,m v kolektoru během dne tabulky v TNI podle typu a velikosti solární soustavy pro průměrnou venkovní teplotu v době slunečního svitu t e,s tabulky v TNI jednotné klimatické údaje pro střední sluneční ozáření G T,m během dne na uvažovanou plochu (sklon, orientace)... předpoklad: jasný den k,m G T,m tabulky v TNI jednotné klimatické údaje e,s 2

121 Účinnost solárního kolektoru 121/143 průměrná denní teplota kapaliny v kolektoru t k,m Typ aplikace t k,m [ C] Předehřev teplé vody, pokrytí < 35 % 35 Příprava teplé vody, 35 % < pokrytí < 70 % 40 Příprava teplé vody, pokrytí > 70 % 50 Příprava teplé vody a vytápění, pokrytí < 25 % 50 Příprava teplé vody a vytápění, pokrytí > 25 % 60

122 Tepelné ztráty solární soustavy 122/143 paušální srážka Q =,9 H A ( 1 p) k, u 0 ηk T,den k Typ solární soustavy p Příprava teplé vody, do 10 m 2 0,20 Příprava teplé vody, od 10 do 50 m 2 0,10 Příprava teplé vody, od 50 do 200 m 2 0,05 Příprava teplé vody, nad 200 m 2 0,03 Příprava teplé vody a vytápění, do 10 m 2 0,30 Příprava teplé vody a vytápění, od 10 do 50 m 2 0,20 Příprava teplé vody a vytápění, od 50 do 200 m 2 0,10 Příprava teplé vody a vytápění, nad 200 m 2 0,06

123 Návrh plochy solárních kolektorů 123/143 Návrh plochy solárních kolektorů A k pro daný návrhový den v typickém návrhovém měsíci klimatické a provozní okrajové podmínky pro zajištění plného nebo částečného (podíl f) pokrytí potřeby tepla podle typu aplikace, podle místní dispozice ( p) = f Q p c Q k, u = 0,9 ηk HT,den Ak 1,

124 Návrh plochy kolektorů: příprava TV 124/143 rodinné domy návrhové měsíce duben a září (100% návrhové pokrytí) střední teplota teplonosné kapaliny t k,m = 40 C odpovídá pokrytí cca 60 % roční potřeby tepla na přípravu TV bytové domy návrhový měsíc červenec (100% návrhové pokrytí) střední teplota teplonosné kapaliny t k,m = 40 C odpovídá pokrytí % roční potřeby tepla na přípravu TV

125 Návrh plochy kolektorů: příprava TV 125/143

126 Návrh plochy kolektorů: TV + VYT 126/143 příprava TV a vytápění návrhové měsíce květen a září střední teplota teplonosné kapaliny t k,m = 50 C uvážit smysluplné využití letních přebytků uvážit stupeň pokrytí v přechodových měsících (100 %?)

127 Návrh plochy kolektorů: TV + VYT 127/143

128 Vliv plochy na dimenzování prvků 128/143 průtok solární soustavou návrh světlosti potrubí návrh tloušťky izolace tlakové ztráty solární soustavy, členění a hydraulika okruhů oběhové čerpadlo objem solární soustavy velikost expanzní nádoby, případně nárazníkové nádoby nosné konstrukce výměník tepla (výkon)

129 Navrhování prvků solárních soustav 129/143 Návrh prvků plocha a počet solárních kolektorů, umístění na budově v polích nosné konstrukce pro kolektory objem a konstrukce solárních zásobníků architektonická a systémová integrace hydraulická zapojení solárních soustav světlost potrubí a tloušťka izolací výměníky tepla (optimalizace cena x zisk) oběhová čerpadla (výpočet tlakových ztrát) pojistná a zabezpečovací zařízení (pojistné ventily a expanzní nádoby) Matuška, T.: Sešit projektanta č.1 Solární tepelné soustavy, STP 2009

130 Bilancování tepelných zisků 130/143 Bilancování solární soustavy (TNI ) pro danou plochu solárních kolektorů A k pro všechny měsíce roku (referenční dny, okrajové podmínky roku) Q ss,u = min (Q k,u ; Q p,c ) z porovnání v jednotlivých měsících vyplývá využitelnost zisků z kolektorů pro krytí potřeby tepla přebytky nelze započítat (!)

131 Výpočtový program Bilance SS 5.4 (Excel) 131/143

132 Výpočtový program Bilance SS 5.4 (Excel) 132/143 podle TNI zpracoval ing. Bořivoj Šourek ke stažení na: solab.fs.cvut.cz