VYTÁPĚNÍ A OHŘEV TEPLÉ VODY POMOCÍ SLUNEČNÍ ENERGIE

Transkript

1 Výukové materiály projektu NAUČÍME VÁS, JAK BÝT EFEKTIVNĚJŠÍ VYTÁPĚNÍ A OHŘEV TEPLÉ VODY POMOCÍ SLUNEČNÍ ENERGIE Výukové materiály vznikly za finanční pomoci Revolvingového fondu Ministerstva životního prostředí. Za jejich obsah zodpovídá výhradně SŠ-COPTH, Praha 9, Poděbradská 1/179 a nelze jejich obsah v žádném případě považovat za názor Ministerstva životního prostředí.

2 VYTÁPĚNÍ A OHŘEV TEPLÉ VODY POMOCÍ SLUNEČNÍ ENERGIE Samotný solární kolektor k přeměně sluneční energie na teplo nestačí. Abychom tuto energii mohli dále využít, jsou nutné ještě další součásti, které jako celek tvoří celý solární systém. Teprve tento celek může spolehlivě přeměňovat a přenášet energii. Pro vysvětlení základního principu činnosti solárního systému využijeme níže uvedeného velmi jednoduchého schématu, kde jsou zobrazeny pouze kolektor, zásobník vody, čerpadlo a regulace. Samotný princip činnosti je velmi jednoduchý. Sluneční záření dopadá na kolektor, ve kterém je absorbér (většinou měděný plech s černou selektivní vrstvou - viz dále v textu). Na tento absorbér jsou ze spodní strany přiletovány měděné trubky, ve kterých je kapalina teplonosná látka. Sluneční záření dopadající na absorbér způsobuje jeho zahřívání a zvyšování teploty. Jednoduchá elektronická regulace pomocí teplotních čidel neustále vyhodnocuje rozdíl teplot v zásobníku a v kolektoru. V okamžiku, kdy je v kolektoru vyšší teplota než v zásobníku (tzn. můžeme využít teploty tekutiny v kolektoru k ohřátí vody v zásobníku), spustí regulace oběhové čerpadlo, které dopraví teplonosnou látku do zásobníku teplé vody a tím je tepelná energie předána. Celý cyklus trvá, dokud se teploty v kolektoru a zásobníku nevyrovnají. Pak se celý systém zastaví a opět se čeká na nahřátí kolektoru. Hlavní snahou při navrhování solárních systémů je, aby vždy, když kolektor produkuje dostatek využitelného tepla, byla tato energie spotřebována buď převedením tepla do zásobníku, nebo jiným přímým využitím. Komponenty solárního systému Solární systémy jsou v dnešních podmínkách z převážné většiny provozovány po celý rok. Z tohoto důvodu se používá jako teplonosná látka nemrznoucí kapalina, která zaručí celoroční funkčnost. Přestože se v současné době při výrobě kolektorů používají nejnovější technologie

3 k přeměně slunečního záření, účinnost přeměny slunečního záření ve finální využitelnou tepelnou energii je kolem 50 %. Jestliže v našich podmínkách dopadá na 1 m 2 k jihu orientované, optimálně k vodorovné rovině skloněné plochy cca kwh, získáme při využití solárního systému z jednoho m 2 instalované kolektorové plochy cca kwh tepelné energie. Účinnost samotného kolektoru je samozřejmě vyšší. K velkým ztrátám dochází při transportu v potrubním okruhu a na výměníku. Různí výrobci uvádějí účinnost samotných kolektorů až 75 %. Průměrné množství solárního záření na území ČR v kwh.m -2 za rok (na vodorovnou plochu) Solární zařízení s přirozeným (gravitačním) oběhem Kapalina v kolektoru se vlivem dopadajících slunečních paprsků ohřívá a roztahuje. Samovolně stoupá v trubkách vzhůru k zásobníku s vodou a zde dochází k předání tepelné energie z transportní kapaliny do vody, a tím tedy k ohřívání TUV (teplá užitková voda). Ochlazená kapalina zase klesá zpět dolů do kolektoru. Tento systém pracuje na základě tzv. termosifonového efektu. Ke své funkci nepotřebuje elektronickou regulaci ani oběhové

4 čerpadlo. Podstatné je, že zásobník s vodou musí být umístěn výše než kolektor (na půdě, v podkroví atd.). Legenda ke schématu samotížného systému 1. Kolektorová plocha 2. Odvzdušňovací ventil 3. Expanzní nádoba 4. Pojišťovací ventil 5. Teplonosná látka 6. Zásobník Samotížný systém Existuje celá řada uspořádání samotížných systémů. Podíváme se společně na nejpoužívanější z nich. Otevřený jednookruhový samotížný systém V tomto systému odpadá tepelný výměník a není zde třeba ani expanzní nádoba. Je zde plovák, který uzavírá při jistém stavu hladiny v zásobníku přívod studené vody. Zásobníky nemusí být odolné tlaku. Další výhodou tohoto systému je dobrý přenos tepla, protože nedochází k žádným tepelným ztrátám ve výměníku. U otevřeného systému nastává díky vnášenému kyslíku větší ohrožení korozí. Uzavřený jednookruhový samotížný systém

5 Je zde vyloučeno znečištění systému, přičemž zůstává zachována výhoda dobrého přenosu tepla z kolektoru do zásobníku. Jsou zde potřebné konstrukční díly pro zajištění bezpečnosti, zejména expanzní nádoba a pojistný ventil. Je třeba dát si pozor na tlak ve vodovodní síti a tlakovou odolnost absorbéru. Otevřený dvouokruhový samotížný systém Solární a spotřební okruh jsou navzájem odděleny, systém je provozován s nemrznoucí směsí. Pro zásobník je použita levná beztlaká nádrž. I zde nastává nebezpečí koroze kyslíkem. Dvouokruhový samotížný systém s otevřeným solárním a uzavřeným spotřebním okruhem Solární okruh může být proveden jako otevřený, nemusí být tedy odolný tlaku, je naplněn mrazuvzdornou směsí. Díky uzavřenému spotřebnímu okruhu je zamezeno znečištění pitné vody. Jako zásobník musí být použita tlaková nádoba. Uzavřený dvouokruhový systém Je zde menší nebezpečí koroze a znečištění pitné vody, solární systém provozujeme s nemrznoucí směsí. Musí být použity tlakově odolné prvky a expanzní a pojistný ventil.

6 Termosifonové (samotížné) soustavy mohou být provedeny jako jednookruhové i dvouokruhové. V uzavřeném solárním okruhu jsou možné četné varianty propojení. Systém s nuceným oběhem V kolektorové ploše je ohřívána nemrznoucí kapalina vlivem dopadajících slunečních paprsků. V případě, že je elektronickou regulací vyhodnoceno dosažení nastaveného minimálního teplotního rozdílu mezi kolektorovou plochou a zásobníkem, tzn. že je nastavena na určitou diferenci, je uvedeno do chodu oběhové čerpadlo. To zajistí cirkulaci ohřáté teplonosné kapaliny k zásobníku. Zde je získaná energie předána vodě v zásobníku přes výměník tepla a ochlazená směs putuje zpět do kolektorové plochy.

7 Hnaný systém Legenda k hnanému systému 1. Kolektorová plocha 2. Odvzdušňovací ventil 3. Solární hnací jednotka 4. Expanzní nádoba 5. Elektronická regulace 6. Teplonosná látka 7. Pojišťovací ventil 8. Zásobník Teď v podstatě zopakujeme myšlenku ze studijního článku o samotížných systémech - pro základní představu by nám předchozí text mohl stačit. Pokud se s ní nespokojíme (a nespokojíme, že?), tak s chutí do dalšího studia. Existuje celá řada možností uspořádání hnaných systémů. Podíváme se společně na nejpoužívanější z nich.

8 Představíme si několik variant napojení na spotřební okruh. Existuje několik dalších variant možností dohřívání. Dvouokruhový systém s nuceným oběhem a vnitřním tepelným výměníkem Tento systém je v tuzemsku standardní, je používán nejčastěji. Jedná se o flexibilní koncept s použitím předvyrobených standardních dílů, takže soustavy mohou být dodávány za relativně příznivou cenu. Jedná se o systém do 10 m 2 kolektorové plochy.

9 Prostřednictvím výměníku může být teplo lépe přenášeno. Je třeba vynaložit další náklady za druhé čerpadlo a potrubí. Zásobníky také vyžadují velkou zastavěnou plochu, musí být provedeny jako tlakové. Tříokruhový systém s nuceným oběhem a vnitřním tepelným výměníkem Při oddělení spotřebního okruhu od zásobníkového můžeme použít cenově dostupnější, případně i beztlaký vyrovnávací zásobník, např. s topnou vodou. Tento systém je náročnější a cenově nákladnější. Používáme jej, když zásobník překročí objem cca 400 l a jsou uplatněna opatření na ochranu před Legionelou. Tříokruhový systém s nuceným oběhem a vnějšími tepelnými výměníky Použitím vnějších výměníků jsou okruhy navzájem jasně odděleny. Jako solární zásobník jsou použity jednoduché vyrovnávací zásobníky. Pohotovostní zásobníky i ve velkých soustavách vychází relativně velmi malé.

10 Zařízení se sezónním provozem N A U Č Í M E V Á S, J A K B Ý T E F E K T I V N Ě J Š Í Solární systémy se sezónním provozem se používají především k ohřevu venkovních bazénů přes letní sezónu za účelem prodloužení koupacího období a zvýšení teploty bazénové vody. Je možno je také využít k ohřevu užitkové vody např. na zahradách, zahradních domcích, chatách apod. 1. Solární kolektor 2. Propojovací komponenty včetně jímky na čidlo a prostupových hadic 3. Kotvící prvky pro kolektory 4. Solární stanice s ventilovou automatikou 5. Solární řídící jednotka včetně čidel 6. Nerezový bazénový výměník 7. Expanzní nádoba Solární systém pro ohřev bazénu Systémy pro sezónní provoz bývají většinou tzv. jednookruhové. Jde o systémy bez použití nemrznoucí kapaliny a výměníku. Ohřívá se přímo požadovaná látka.

11 Zařízení s celoročním provozem N A U Č Í M E V Á S, J A K B Ý T E F E K T I V N Ě J Š Í Nejběžněji se však solární systémy využívají k celoročnímu provozu, a to především na celoroční ohřev vody, případně v kombinaci s celoročním ohřevem vnitřních bazénů nebo v kombinaci se sezónním ohřevem venkovních bazénů a přitápění. Systémy pro celoroční provoz bývají dvoukruhové. Tepelná energie se v nich předává pomocí výměníku požadované látce. Předání energie se děje buď pomocí oběhového čerpadla (u hnaných systémů), anebo samotížně. Solární kolektor Solární kolektory jsou součásti, které mění dopadající sluneční záření na energii tepelnou. Z tohoto důvodu jim také říkáme kolektory fototermické. (foto od světla, termické od tepla). Fototermické kolektory můžeme dělit podle několika hledisek. a) Podle ohřívané tekutiny (než vás to překvapí, vzpomeňte na základy fyziky, kde vám jistě nebylo zatajeno, že tekutina je souhrnný název pro kapalinu a plyn): kapalinové (teplonosná látka je kapalina a slouží především k ohřevu teplé užitkové vody, ohřevu bazénů a přitápění), teplovzdušné (teplonosná látka je vzduch využití pro ohřev vzduchu v místnosti, temperování objektů, sušičky atd.), kombinované (kombinace obou výše uvedených). Fototermické kolektory můžeme ještě dále rozdělit podle tvaru absorberu na ploché (nejčastější využití na našich zeměpisných podmínkách), vakuové trubice (vakuum snižuje tepelné ztráty a tím zvyšuje účinnost), koncentrační (Fresnelova čočka koncentruje záření na menší absorpční plochu nebo koncentrující odrazem zrcadlové). Kolektory kapalinové ploché Představu o tom, jak vypadá plochý kapalinový kolektor, si můžeme společně udělat z obrázku. Plochý kapalinový kolektor

12 Základní části jsou: absorbér má za úkol absorbovat (=pohltit) co možná nejvíc energie z dopadajícího slunečního záření, pouzdro kolektoru je nosná část celého kolektoru, sklo ploché kapalinové kolektory se vyrábějí ze speciálního solárního skla, izolace zabraňuje úniku přeměněného tepla. Kolektory můžeme umístit na rovnou i na sedlovou střechu. Možné je i umístění ve volném terénu (pomocí k tomu uzpůsobené konstrukce). Zajímavá je možnost umístit kolektory u výškových budov na fasádu. Pro umístění kolektorů nejsou žádné speciální požadavky ohledně druhu střešní krytiny. Lze je umístit prakticky na jakoukoliv z nich (klasické střešní tašky, šindele, plechovou nebo eternitovou střechu). Na něco bychom ale přece jenom při umísťování měli brát ohled. Na minimalizaci ztrát při přenosu již získané energie. Snažíme se tedy minimalizovat vzdálenost mezi kolektorovou plochou a místem přenosu teplonosné kapaliny. Umístění na rovné střeše Umístění na sedlové střeše

13 Umístění v terénu Umístění na fasádě Zbývá vyřešit poslední dvě otázky týkající se instalace kolektoru. Jsou to orientace a sklon kolektoru. Maximální účinnosti dosáhneme, pokud posbíráme co možná největší část záření, které na dané místo dopadá. Proto se dají zásady pro orientaci a sklon shrnout asi takto: Orientace Nejvhodnější je jižní orientace s mírným odklonem na jihozápad (asi 15 ), bez znatelného snížení účinnosti je možno jej orientovat také 15 od jihu na jihovýchod. Je to z důvodu toho, že Slunce putuje (i když se samozřejmě otáčí Země, nikoliv Slunce) z východu na západ přes jih, nikoliv přes sever. Navíc odpoledne svítí déle než dopoledne, proto je vhodný mírný odklon kolektoru na jihozápad.

14 Sklon kolektoru Zde je nutno volit kompromisní řešení sklonu kolektoru vzhledem k rovině. V létě Slunce svítí více shora, proto by ideální sklon byl do 30. V zimě však svítí více z horizontu a kolektor by bylo vhodnější dát více kolmo, tedy Aby se kolektor nemusel umisťovat na nějaké rotační zařízení, které by celý systém prodražovalo, volí se pro celoroční provoz zpravidla sklon Kolektory kapalinové koncentrující zrcadlové Paprsek jdoucí rovnoběžně s optickou osou se odráží do ohniska. Porovnání rovného odrazného plechu a parabolického odrazného plechu

15 Kolektory kapalinové koncentrující čočkové Paprsek jdoucí rovnoběžně s optickou osou se láme do ohniska. Normální čočka obsahuje spoustu materiálu, je těžká a drahá na výrobu. Existuje však jedna moc šikovná věc s názvem Fresnelova čočka. Ta vznikne z normální čočky odstraněním materiálu, který se na lomu světla nepodílí. Vypadá to takto Porovnání Fresnelovy a normální čočky se stejnými optickými vlastnostmi A ještě obrázek konkrétního použití v solárním kolektoru Použití Fresnelovy čočky Tyto kolektory pracují na principu kombinace pasivního a aktivního využití energie slunce. Tento systém využívá ploché sklo optický rastr, tzv. lineární Fresnelovu čočku. Ta je zabudovaná do střešní konstrukce a pod ní je v ohniskové vzdálenosti 40 cm umístěn pohyblivý rám s absorbérem. Čočka má schopnost separovat přímou a difúzní složku dopadajícího záření. Koncentrovaná přímá složka je pak soustředěna na absorbér, kde se prostřednictvím teplonosné kapaliny přeměňuje na teplo a odvádí k dalšímu použití. Difúzní složka bez podstatných změn proniká do vnitřních prostor, kde osvětluje prosklený interiér.

16 Kolektor s Fresnelovými čočkami difúzní světlo proniká do místnosti Kolektory vzduchové - ploché Je to zařízení, jehož teplonosnou látkou je vzduch. Využívá se zejména pro přímé teplovzdušné přitápění interiérů budov nebo v zemědělství pro sušení plodin. Výhodou teplovzdušných kolektorů je fakt, že i při nízké intenzitě slunečního záření dokáží ohřát vzduch uvnitř kolektoru na teplotu, která je vyhovující pro přitápění a ve speciálních případech i k sušení. Teplovzdušný kolektor musí mít dostatečnou cirkulaci vzduchu, která je zajištěna ventilárotem na vstupu vzduchu do kolektoru. Systém má jednoduchou elektronickou regulaci, která vyhodnocuje teplotu kolektoru a při dosažení stanovené teploty spouští ventilátor, který vhání teplý vzduch do místnosti či jiného prostoru. Teplovzdušné kolektory mají vysokou účinnost, neboť nedochází ke ztrátám ve výměnících nebo v rozvodech jako u fototermických systémů. Teplovzdušný kolektor

17 Kolektory kombinované (hybridní) N A U Č Í M E V Á S, J A K B Ý T E F E K T I V N Ě J Š Í Snahy o dosažení maximální účinnosti přeměny a využití solárních energetických zisků během roku vedou k rozvoji konceptu solárního tepelného kolektoru se dvěma teplonosnými látkami (vzduch/voda, vzduch/glykol-voda). Duální či hybridní koncept s použitím dvou teplonosných tekutin vychází v principu ze situace typické pro mírné a chladné klimatické pásmo, kde sluneční záření je dostatečné pro přípravu teplé vody (50-60 C) v letním období, zatímco v zimním období solární kolektory zpravidla nedosahují teplot vyšších než 30 C, avšak jsou stále dostatečné např. pro ohřev větracího vzduchu. Požadavky na absorbér solárního kolektoru pro režim ohřevu vzduchu (velká plocha povrchu absorbéru v kontaktu s obtékajícím vzduchem, nejlépe zalamovaný tvar) jsou zcela odlišné od požadavků na absorbér pro režim ohřevu kapaliny (minimalizace povrchu pro udržení nízké tepelné ztráty). Výsledkem je nutná optimalizace konstrukce absorbéru, jeho geometrie a provozních podmínek (průtok). Různé konfigurace hybridních kolektorů kapalina-vzduch A teď několik slov k druhé části tématu ke kombinaci fotovoltaiky a fototermiky v rámci jednoho hybridního zařízení. Standardní komerční fotovoltaické (FV) moduly nepřemění v současné době více než cca 15% dopadlé sluneční energie na elektrickou, zbytek je odpadní teplo, které částečně odchází do okolního prostředí a částečně ohřívá FV modul a zvyšuje jeho teplotu. Jelikož zvýšení teploty FV článku snižuje účinnost fotovoltaické přeměny, je vhodné fotovoltaické články chladit a zároveň smysluplně využívat odváděné teplo. V případě architektonicky a esteticky preferovaných instalací FV modulů integrovaných do obálky budov dochází k výrazně vyššímu nárůstu teploty FV článku oproti modulům volně instalovaným na střechách a exponovaným vůči účinkům větru. Integrované fotovoltaické moduly trpí vysokou tepelnou zátěží vlivem omezeného přirozeného chlazení okolním

18 proudícím vzduchem, jelikož zadní strana FV modulu je zpravidla tepelně chráněna obálkou budovy a součinitele přestupu tepla prouděním na přední straně FV modulu zapuštěného do větší plochy vykazují výrazně nižší hodnoty než u plochy vystupující nad povrch (obálky budov). To vše má za následek významný pokles účinnosti FV článku, tepelnou zátěž vnitřního prostoru tepelným tokem v závislosti na stupni tepelné izolace dané obálky budovy (zvýšení potřeby chlazení v letním období) a také možnost poškození FV modulů vlivem extrémního tepelného zatížení (teplota FV modulu integrovaného do obálky budovy může za letního dne při bezvětří dosáhnout až 100 C). Použití aktivního chlazení fotovoltaického článku vede ke konceptu hybridního solárního fotovoltaicko-tepelného kolektoru (FV/T kolektor), který poskytuje teplo a elektrickou energii, kdy produkce tepla může být několikanásobně vyšší než produkce elektrické energie. Díky společné výrobě elektrické energie a tepla je u hybridních kolektorů celková produkce energie vyšší než u standardního odděleného řešení (FV a FT kolektory zvlášť) při stejné celkové zastavěné ploše. Hybridní FV/T kolektory mohou být realizovány v několika základních variantách, jednak jako zasklené nebo nezasklené, ploché nebo koncentrační a podle typu teplonosné látky vzduchové nebo kapalinové. Konfigurace fotovoltaického a vzduchového kolektoru (zaskleného a nezaskleného) Kapalinou chlazené FV systémy jsou založeny především na principu výměníku lamela-trubka (obdobně jako u plochých tepelných kolektorů) aplikovaného na zadní stranu fotovoltaického článku či modulu s kvalitním tepelně vodivým kontaktem pro zajištění dobrého odvodu tepla. Nezasklená konstrukce je vhodná především tam, kde elektrický výkon je hlavní prioritou a využití odpadního tepla je navíc. Oblast použití nezasklených FV/T kolektorů leží v nízkoteplotních systémech do 30 C, tj. předehřev teplé vody v budovách, ohřevu bazénové vody či jako zdroje tepla pro tepelná čerpadla (absorpční FV/T stěny či střechy). Pro snížení tepelné ztráty a dosažení vyššího tepelného výkonu, zvláště v období s nízkými okolními teplotami, je nutné použít krycí zasklení. Tloušťku vzduchové mezery lze optimalizovat podle předpokládaných klimatických podmínek a potřebné provozní teploty.

19 Konfigurace fotovoltaického a kapalinového kolektoru (zaskleného a nezaskleného). Součásti kolektorů Absorbér uváděný také jako jímací plocha - je vytvořen ze speciálních, nejčastěji měděných či hliníkových lamel nebo měděného plátu, které jsou pokryty vysoce selektivním spektrálním nánosem (nejčastěji speciální černou barvou s příměsí skla nebo jiných krystalických látek) charakterizovaným vysokou absorptivitou (tedy pohltivostí) světelného záření a minimální emisivitou (nevyzařuje mnoho) tepelného záření (např. α=0,96; ε=0,06 u Crystal Clear TM ). Dalšími běžně využívanými selektivními vrstvami s podobnými vlastnosti jsou např. Tinox nebo Sunselect). Tato selektivní vrstva má vyšší účinnost než obyčejná černá barva, která je daná vyšší schopností přijmout sluneční záření a současně minimální schopností ho po přeměně na teplo odrazit zpět do prostředí. Další výhodou je především schopnost pohlcovat difúzní záření, které má v našich podmínkách výrazný podíl na celkovém množství dopadající sluneční energie a tím výrazně přispívá k vysoké účinnosti systému. Lamely nebo plát jsou vysokofrekvenčně navařeny, napájeny či vlisovány na měděné trubky, v nichž proudí obvykle nemrznoucí směs. Ta zajišťuje možnost celoročního provozu kolektorů, tedy i v zimě. Absorbér je uložen do hliníkové vany či kazety složené z hliníkových nebo nerezových profilů.

20 Lamely a kazety Pouzdro kolektoru je v podstatě nosná část celého kolektoru. V praxi jsou využívány nejčastěji dva typy. Prvním je vana ze slitiny hliníku, do které se vkládá izolace, absorbér a speciálními lištami se upevní sklo. Druhou možností je systém hliníkových či nerezových bočních profilů (které složením vytvářejí tzv. kazetu), kdy dnem kolektoru se stává plech s izolací nebo v některých případech pevná izolace (na bázi polyuretanu s hliníkovou fólií). Sklo je upevněno podobným způsobem jako u van nebo přichyceno horním profilem. Izolace je velmi důležitá součást kolektoru a slouží k izolaci spodní a boční části kolektoru proti úniku přeměněného tepla. Nejčastěji se používá minerální vlna nebo pevnější polyuretan.

21 Sklo na výrobu plochých kapalinových kolektorů se používá speciální bezpečnostní solární sklo, které má nejčastěji tloušťku 3,2-4 mm, je kalené a vyrobené se sníženým obsahem železa a nečistot, které zhoršují propustnost světelného záření. U některých výrobců je sklo speciálně rastrované s jemnou pyramidální strukturou (tzv. americké sklo ). Toto uspořádání dokáže snížit odrazivost přibližně na jednu třetinu oproti rovnému povrchu. Princip amerického skla Kolektory s vakuovým transparentním krytem ploché - trubicové Tělo kolektorů je vakuotěsné, odolné proti tlaku a připomíná hluboko protaženou bezešvou vanu z ušlechtilé oceli. Uprostřed kolektoru je zavěšen absorbér. Nahoře uzavírá kolektor tabule solárního skla (5mm) spojená speciálním tepelně odolným těsněním s vanou. Aby sklo neprasklo působením atmosférického tlaku, který činí asi 1000 N.m -2, je vyztuženo rastrově uspořádanými nerezovými pružnými opěrnými elementy, odolnými proti vysoké teplotě. Kolektor je vakuován až po namontování na střechu. Vakuem jsou významně omezeny tepelné ztráty konvekcí. Nově je tento kolektor plněn vzácným plynem kryptonem. Měření ukazují výkonnost, která je srovnatelná s kolektory z vakuových trubic. Vakuový plochý kolektor

22 Neselektivní a selektivní povrchy absorbérů Neselektivní povrch absorbéru je nejjednodušší varianta. Pod tajemným pojmem neselektivní se neskrývá nic jiného, než že je natřen tmavou (ideálně černou) barvou, neboť ta pohlcuje dopadající záření ze všech barev nejvíce. Však to známe světlejší povrchy z jinak stejných materiálů jsou na sluníčku studenější než tmavé. A čím tmavší, tím teplejší. Absorbéry pokročilých solárních kolektorů se vyznačují spektrálně selektivními optickými vlastnostmi povrchu. Selektivní povrchy mají velmi nízkou odrazivost (vysokou pohltivost α = αsol) slunečního záření v oblasti vlnových délek 0,3 až 3 μm, ve kterých přichází 95 % energie slunečního záření a velmi vysokou odrazivost (nízkou pohltivost αir, nízkou zářivost ε =εir = αir) v oblasti infračerveného záření 3 až 50 μm. Kvalitní spektrálně selektivní povrchy (sunselect, TiNOx) mají v současné době parametry, které se zdají být již praktickou limitou v oboru: součinitel pohltivosti kvalitních povrchů absorbérů α = 0,95, součinitel poměrné zářivosti (emisivita) ε = 0,05. Měřítkem kvality selektivních povrchů je tzv. selektivní poměr. Selektivní povrchy se zpravidla vyrábějí elektro-chemicky v lázni (galvanicky) nebo nanášením vrstvy (vrstev) ve vakuu (naprašování, napařování). Často jsou selektivní vrstvy pro zvýšení pohltivosti ještě opatřeny vrchní antireflexní vrstvou. Účinnost kolektorů a celých solárních zařízení Na solární kolektor dopadá určité množství energie. Ovšem kolektor není perpetuum mobile, pochopitelně, a tak dochází k tepelným ztrátám. Pro účinnost plochého i trubkového kolektoru byl odvozen následující vztah: Vysvětlíme si jednotlivé symboly v uvedeném vztahu. F - účinnostní součinitel kolektoru zahrnující vliv geometrie absorbéru, tepelné propustnosti spojení trubka-absorbér a přestup tepla z vnitřního povrchu trubky do teplonosné látky τ - propustnost sluneční energie zasklení α - pohltivost slunečního záření absorbéru λ - součinitel prostupu tepla kolektoru udává nám tepelné ztráty do okolí (W.m -2.K -1 ) t m střední teplota teplonosné látky ( C) t a teplota okolí ( C) G intenzita dopadajícího slunečního záření (W.m -2 )

23 Výpočty množství zchycené energie Množství zachytávané sluneční energie si vyjádříme stručně a přehledně. Kapalinové kolektory bez selektivního povrstvení kwh.m 2 za rok Kapalinové kolektory se selektivním povrstvením kwh.m 2 za rok Vakuové trubicové kolektory kwh.m 2 za rok Další součásti solárních zařízení Solární zařízení se skládá z několika částí. To jsme ostatně již viděli v předchozích schématech. Je potřeba se s nimi seznámit. Již víme, že základním prvkem solárního systému jsou sluneční kolektory. Ty jsou upevněny na konstrukcí nebo ve střešních držácích na střeše či jiném vhodném místě a propojeny s místem ohřívané kapaliny (boiler, bazén atd.). Celý systém může být jednookruhový (většinou sezónní ohřev bez použití nemrznoucí kapaliny a výměníku, ohřívá se přímo požadovaná látka) nebo dvouokruhový (celoroční provoz - tepelná energie se předává prostřednictvím výměníku požadované látce). Předání tepelné energie zajišťuje oběhové čerpadlo, které je ovládáno elektronickou regulací. Samotížné systémy oběhové čerpadlo a regulaci neobsahují. Celý solární systém je chráněn jistícími prvky, a to odvzdušňovacím ventilem, expanzní nádobou a pojišťovacím ventilem. V expanzní nádobě je pryžová membrána, která při zvětšení objemu kapaliny stlačuje plyn nad membránou. Ten absorbuje zvětšený objem teplonosné směsi a zvyšuje svůj tlak. Vedle expanzní nádoby je instalovaný pojišťovací ventil, ve kterém je pružina nastavená na určitý tlak a v případě, že by se tato nastavená hodnota překročila, dojde k odpuštění směsi. Automatický odvzdušňovací ventil má za úkol vylučování plynů z transportní (teplonosné) kapaliny. Aby však systém dobře fungoval, musí být dobře dimenzován, což znamená, že všechny prvky solárního systému musí být sladěné; kolektorová plocha, objem a tlaková odolnost zásobníku, průměr a délka trubkových rozvodů, velikost expanzní nádoby a pojišťovacího ventilu. Solární systémy se zpravidla kombinují se stávajícími zdroji energie, proto lze říci, že solární systém funguje obvykle jako předehřev. V období vyšší sluneční aktivity je solární systém schopen ohřát veškerou spotřebu TUV a musí se řešit otázka tepelných přebytků. V zimních měsících a v obdobích, kdy je sluneční aktivita velmi nízká, jsou solární kolektory schopny ohřát vodu jen do určité teploty a dohřátí na požadovaných 55 či výše musí provést jiný zdroj, zpravidla stávající (plynový kotel, elektrický kotel). Solární zásobník se proto instaluje sériově před stávající zásobník TUV. Samostatné zapojení solárního zásobníku je energeticky nejpříznivější.

24 Ne vždy je však možno toto zapojení uskutečnit, většinou z důvodu prostorového omezení. V těchto případech, kde není místo na dva zásobníky, je možno použít jeden bivalentní nebo trivalentní zásobník, tzn., že zásobník se ohřívá ze 2 nebo 3 zdrojů. Již je jistě zřejmé, že je potřeba se začíst do následujících kapitol a poté se, tentokráte již s příslušnými vědomostmi, k principu činnosti vrátit. Zásobníky Zásobníkem se nazývá místo ohřívaného média. Obvykle všechny solární systémy, které jsou montovány i za jiným účelem, než je ohřev TUV, mají alespoň malý zásobník na TUV. Ten může být dle dispozice stojatý (stojí na nohách na zemi) nebo závěsný (zavěšen na stěně či stropě). Dále můžeme tyto zásobníky dělit dle způsobu dohřevu na speciální solární (jeho účelem je pouze akumulace teplé vody. Může obsahovat vložený výměník nebo jen vstup a výstup tekutiny do výměníku externího) bivalentní (bi = dva) či trivalentní (tri = tři) znamená, že jeden, je ohřívaný ze dvou nebo tří zdrojů (vložený další zdroj dohřevu, který zajišťuje dohřev tekutiny na požadovanou teplotu v případě nedostatečného ohřevu solárním systémem. Jedná se nejčastěji o elektrickou vložku či plynovou spirálu. Připomeňme si základní schémata solárních zařízení. Na nich je dobře vidět umístění zásobníků. Umístění zásobníků

25 Výměníky tepla Výměník tepla je zařízení sloužící u dvouokruhového systému k předání tepelné energie mezi teplonosnou kapalinou (nemrznoucí směs) a ohřívanou látkou (voda, topná voda). Při dimenzování výměníku je velmi důležitá jeho teplosměnná plocha).v praxi se používají vložený výměník (přímo v zásobníku); a to jako dvouplášť po obvodu zásobníku nebo vložený trubkový výměník tvaru šroubovice, externí výměník (deskový nebo trubkový). Trubkový výměník Deskový výměník Zásobník s vloženým výměníkem

26 Oběhová čerpadla N A U Č Í M E V Á S, J A K B Ý T E F E K T I V N Ě J Š Í Tato zařízení slouží k zajištění proudění teplonosné kapaliny mezi solárním kolektorem a místem předání tepelné energie (zásobník, akumulace, bazén atd). Oběhové čerpadlo musí být pro správný chod přesně dimenzováno na základě požadovaného průtoku a propočítané tlakové ztráty celého potrubního rozvodu. Oběhové čerpadlo je řízeno elektronickou regulací. Jejím smyslem je dosažení maximálního výkonu celého solárního systému. Její základní funkce spočívá v porovnávání teplot mezi teplotou v kolektoru a teplotou v zásobníku a v případě, že je teplota v kolektoru vyšší o nastavenou hodnotu (např. 5 C), sepne oběhové čerpadlo a nahřátá teplonosná kapalina je z kolektoru dopravována do místa předání (boiler, akumulační nádrž, bazén). V případě vyrovnání teplot se oběhové čerpadlo automaticky zastaví. Ventilátory Teplovzdušný kolektor musí mít dostatečnou cirkulaci vzduchu, která je zajištěna ventilátorem na vstupu vzduchu do kolektoru. Systém má jednoduchou elektronickou regulaci, která vyhodnocuje teplotu kolektoru a při dosažení stanovené teploty spouští ventilátor, který vhání teplý vzduch do místnosti či jiného prostoru. Expanzní nádoby Expanzní nádoba slouží k vyrovnání tlaku v primárním okruhu fototermického systému. Vlivem změny teploty média v primárním okruhu se mění tlak v systému (s rostoucí teplotou tlak pochopitelně roste) a expanzní nádoba je jeden z prvků solárního systému, který zabrání poškození rozvodů či jiných komponent. Expanzní nádoba je obvykle nastavena na 3,5 bar. (Možná vás překvapí jednotka bar. O jejím vztahu k Pascalu se dozvíme v úkolu následujícím po tomto studijním článku). Dimenzování expanzní nádoby musí být provedeno s ohledem na velikost systému a fyzikální vlastnosti teplonosné kapaliny. Pojistné a odvzdušňovací ventily Pojistný ventil prvek solárního systému, který slouží při zvýšení provozního tlaku v primárním okruhu k vypuštění části kapaliny na střechu objektu a tím ke snížení tlaku na požadovanou teplotu. V případě jeho umístění uvnitř objektu je nutné jeho svedení do otevřené nádoby nebo přímo do odpadu. Pojistný ventil se dimenzuje dle součásti s nejnižším provozním tlakem.

27 Odvzdušňovací ventil je umístěn na venkovní, zpravidla nejvyšší části solárního systému. Slouží k automatickému odvzdušnění primární části solárního okruhu, čímž zachovává bezúdržbový chod solárního systému. Vlivem odvzdušnění dochází k poklesu provozního tlaku, je tudíž nutné v pravidelných intervalech kontrolovat tlak a v případě potřeby primární okruh dotlakovat. Teplonosné látky a jejich vlastnosti Teplonosná látka je látka, která slouží pro přenos tepla mezi kolektorem a místem užití. To může být například zásobník, bazén atd. Víme, že solární zařízení používáme v různých podmínkách, sezónně, celoročně atd. Proto teplonosná látka musí být taková, aby správně fungovala za předpokládaných podmínek. Voda - je netoxická, nehořlavá a levná. Je ideální z hlediska vysoké tepelné kapacity a tepelné vodivosti a nízké viskozity. Voda má bohužel nízký bod varu a především vysoký bod tuhnutí, což ji předurčuje pro použití pouze v sezónních solárních soustavách s letním provozem. Voda může způsobovat korozi, pokud její ph (hladina kyselosti-zásaditosti) není udržována na neutrální hodnotě 7, a dále samozřejmě při nevhodné kombinaci faktorů jako obsah kyslíku, teplota, koncentrace dalších rozpuštěných chemických látek či elektrochemický potenciál přítomných kovů. V případě použití vody s vysokým obsahem minerálů (tvrdá voda) může docházet k vylučování minerálních usazenin při vyšších teplotách v kolektorech (zarůstání). Nemrznoucí kapalina podstatnou vlastností (mimo přenos tepla, pochopitelně) je skutečnost, že tato kapalina má nízký bod tuhnutí (obvykle kolem -32 C) a i v tomto případě vytvoří emulzi, která nepoškodí potrubní rozvody. Tím je zajištěna možnost celoročního provozu solárních systémů. Požadované vlastnosti na nemrznoucí kapalinu lze shrnout do několika bodů: nízký bod tuhnutí (nejlépe kolem -25 až -30 C) dobré tepelně-fyzikální vlastnosti (tepelná kapacita, viskozita), co nejvíce podobné vodě nehořlavost ochrana proti korozi kompatibilita s těsnícími materiály ekologické aspekty (netoxická, biologicky rozložitelná) dlouhodobá stálost vlastností- teplotní odolnost rozumná cena Využívají se: glykolové nemrznoucí směsi - směs etylenglykolu a vody nebo propylenglykolu a vody alkoholy silikonové oleje

28 Měření a regulace N A U Č Í M E V Á S, J A K B Ý T E F E K T I V N Ě J Š Í Koordinační centrum solární soustavy neboli její řízení má plnit následující úkoly: řízení oběhového čerpadla (čerpadel) v solárním okruhu za účelem optimalizace zisků z kolektoru a zásobníku, udržování hraničních teplot teplotních hodnot v zásobníku. Mimo tyto úlohy mohou moderní řídící jednotky převzít četné dodatečné funkce, např. analýzu chování soustavy, kontrolu funkce, sledování závad a bezpečnosti soustavy. V zásadě platí, čím je zařízení komplikovanější a nákladnější, tím těžší je správné nastavení a tím vyšší je i jeho poruchovost. Řízení podle diference teplot Pro ovládání funkce oběhového čerpadla (čerpadel) se v solárních soustavách používají spínače, založené na diferenci teplot. Teplotní čidla v kolektoru a v zásobníku měří teploty a mění je v elektrické signály (napětí, změny odporu) elektronicky porovnávané. Překročí-li teplota v kolektoru teplotu v zásobníku o několik stupňů (nastavitelných), je oživen přepínač (relé). Ten může být zatížen hodnotou napětí v síti a slouží pro zapínání a vypínání chodu oběhového čerpadla nebo i jiných ovládacích prvků, např. elektroventilů. Požadavky na čidla Teplotní odolnost čidla musí být přizpůsobena maximální teplotě v klidovém stavu (od 160 až přes 200 C). Přesnost čidla pro pracovní teplotu (20-80 C) musí být tak velká, aby chyba v měření čidla regulačního přístroje nepřekročila v součtu 2 až 3 C. Téměř bez výjimky se používají čidla z materiálů, jejichž elektrický odpor se mění s teplotou. Montáž čidla Musí být provedena tak, aby byly měřeny skutečné teploty. Tepelné čidlo má přiléhat k vnitřním stěnám jímky a styk má být zlepšen přidáním tepelně vodivé pasty, aby byl zajištěn dobrý převod tepla. Má být zasunuto co nejhlouběji do jímky a zajištěno svěracím šroubem proti vysmeknutí. Kontrolní funkce Nelze opomenout jednoduchou indikaci chodu prostřednictvím signálního světla (kontrolky). Zřetelně signalizovány musí být zejména chyby ve funkci soustavy. Pro přerušení chodu a údržbu se ukázal jako velmi užitečný i ruční vypínač čerpadla. Řízené dohřívání Aby bylo ve dnech s chybějícím slunečním zářením dohřívání optimálně sladěno se solárními zisky soustavy, nabízí některé solární řídící soustavy i funkci ovládání dohřívání.

29 Zásady dimenzování prvků pro solárních zařízení Dimenzování soustavy pro ohřev TUV Stanovení potřebného množství energie musí vycházet ze zjištěné potřeby teplé vody. V ideálním případě se to děje měřením, což je pro malé soustavy vhodné pro rodinné domy příliš náročné. Proto existuje tabulka směrných čísel. Jsou značně závislá na individuálních zvyklostech. Hodnotu pro skutečnou potřebu energie Q n je třeba vzít rovněž z tabulky. Kromě zvyklosti uživatele a odlišného standardu je třeba u starších domů brát ohled i na stávající potrubní systémy, které v mnoha případech mají předimenzované průměry potrubí, nedostatečné tloušťky izolací a cirkulace v trvalém provozu, což může zvýšit hodnotu spotřeby nutného tepla mnohonásobně. V průběhu zjišťování spotřeby by měla být rovněž prověřena možnost úspor pitné vody, nižší spotřeba pitné vody totiž neznamená jen nižší spotřebu energie, ale i menší solární soustavu, a proto i menší náklady na její pořízení. Tělesná péče 1x mytí rukou(obličeje) Použití Spotřeba v l Teplota ve C Potřeba energie v kwh při teplotě studené vody cca 10 C ,06-0,16 1x čištění zubů ,03-0,06 1x mytí vlasů ,3-0,6 1x lázeň nohou ,9 1x sprchování ,9-1,5 1x přímá lázeň ,5-7 1x dětská lázeň ,9-1,5 Domácnost 1x mytí nádobí ručně ,4-0,6 1x mytí v myčce ,9-1,6 1x pračka ,5-2,3 1x úklid domácnosti-3 vědra ,9 Potřeba vody a energie (na osobu) u soustav na ohřev teplé užitkové vody

30 Stanovení brutto zisku tepla z kolektoru Poté, co je zjištěna potřeba energie Qn, je pro dimenzování nutné vědět, jaká musí být dodávka tepla z kolektorového pole. Vedle potřeby užitečné energie závisí dodávka energie z kolektorů na těchto dalších faktorech: Stupeň solárního pokrytí je dokázáno, že úplné pokrytí potřeby tepla solární soustavou není rozumné. Jak ukazuje praxe, optimální poměr mezi náklady a potřebou bývá dosažen při pokrytí %. Tepelné ztráty v systému kolektorové pole musí dodat více energie, než je uvažováno, protože mezi kolektorem a koncovým spotřebičem dochází ke ztrátám. Ztráty v kolektorovém okruhu závisí v podstatě na délce potrubí a kvalitě použité izolace. Příznivé jsou krátké trasy potrubí a velké tloušťky izolace. Optimální jsou ztráty tvořící přibližně % brutto zisku kolektoru. Ztráty větší než 20 % signalizují nevhodné řešení a nedostatečnou izolaci potrubí. Ztráty zásobníku ztráty odhadujeme podle údajů uvedených výrobcem. Další ztráty je nutno přiřadit je na vrub cirkulace užitkové vody. Shrnutí brutto výnos z kolektorového pole je nutno spočítat následovně: - potřeba teplé vody na rok Q n [kwh/rok] - stupeň solárního pokrytí D s [%] - = netto solární zisk kolektorového pole Q sn [kwh/rok] - + tepelné ztráty zásobníků Q vsp [kwh/rok] - + tepelné ztráty kolektorového okruhu Q vkk [kwh/rok] - = brutto výnos z kolektorového pole *kwh/rok+ Aby mohlo být dosaženo požadovaného pokrytí spotřeby tepla běžné rodiny, musí kolektorové pole dodat ročně hodnotu brutto zisku z kolektorového pole. Dimenzování plochy kolektoru Pro dimenzování se v praxi používají různé metody. Jsou členěny podle stupně detailního provedení. 1. Dimenzování podle zjednodušeného vzorce Na základě zkušeností z mnoha let provozu solárních soustav pro ohřev pitné vody malých systémů se osvědčily tyto zjednodušené vzorce: 1-1.5m 2 plochy kolektoru na osobu, resp. 0,8-1,2m 2 plochy kolektoru z vakuovaných trubic na osobu. Toto pravidlo vyhovuje pro průměrnou spotřebu teplé vody a vede k solární soustavě se 40-60% solárním krytím spotřeby. Nižší čísla poskytují menší krytí, vyšší čísla vedou k většímu solárnímu pokrytí spotřeby. Toto pravidlo je pro kolektorové plochy velmi praktické. Pro běžnou čtyřčlennou rodinu to znamená 4-6 m 2 kolektorové plochy.

31 2. Dimenzování podle firemních výpočtových programů Výrobci solárních soustav dávají často k dispozici programy pro dimenzování. S nimi se dá snadno a rychle určit plocha kolektorů dle požadovaného objemu zásobníku. 3. Dimenzování podle stupně využití kolektoru Poté, co je stanoven brutto tepelný výnos kolektoru Q sk, můžeme pomocí rovnice určit pro stupeň využití potřebnou plochu kolektoru A k, pokud je známo záření G a : η a = Q sk /G s = Q sk / (G a. A k ), nebo A k = Q sk / (G a. η k ) Q sk - roční brutto zisk z kolektoru, kolektor.pole G s - roční suma solárního záření (globální záření) *kwh/m+ G a - roční specifické globální záření na kolektor * kwh/m 2 r] A k - plocha kolektorového pole * m 2 ] η k - využití (účinnost) kolektoru *%+ 4. Dimenzování podle stupně využití soustavy pro návrhový den Jako návrhový den byl zvolen den se zářením 5,5 kwh/m 2.d na vodorovnou plochu. Toto odpovídá asi 8 hodinám slunečního svitu při intenzitě 600 W na m 2 a 4-5 hodinám se zářením menším než 200 W na m 2. V nejlepších dnech může záření dosahovat až 1,5násobku hodnoty zvoleného typického dne. Zjištění plochy kolektoru se provede pomocí stupně využití solární soustavy ŋ sys. Viz rovnice. ŋ sys = Q SN /G S Pro výpočet kolektorové plochy pomocí rovnice musí být znám stupeň využití systému. Ten je ovlivňován mnoha proměnnými. Proto může být uveden jen přibližně se zkušeností %. Spodní hodnoty platí spíše pro nepříznivé podmínky, např. vysoké teploty plochých kolektorů, horní hodnoty spíše pro příznivé provozní podmínky a kolektory z vakuovaných trubic. Jako střední stupeň využití může být do výpočtu dosažena hodnota 34 %. Tím bude plocha kolektorů pro běžnou rodinu stanovena následovně Potřeba tepla v návrhovém dnu Q n,d 9,3kWh/d Stupeň využití systému η sys 0,34 Záření v návrhovém dnu G d 5,5kWh/m 2.d = plocha kolektoru A k 5m 2 Dimenzování objemu zásobníku 1. Je známo, že vhodný je objem zásobníku pro 1,5-2denní spotřebu nebo l na osobu. Při uvažování vyššího stupně solárního krytí je vhodné použít vyšší hodnotu, např. 60 % pro nižší krytí (40 %) stačí hodnota menší. 2. Pokud je známá potřebná plocha kolektorů Ak, lze objem zásobníků určit také podle vztahu (viz obr )

32 V sp (70-100) l /m 2. A k interval hodnot dovolí vybrat z obvyklých výrobních velikostí zásobníku. Dohřívání zásobníku Jaký objem má být udržován na požadované teplotní úrovni přídavným dohříváním (vytápěním) elektrickým proudem a v jaké výšce zásobníku bude dotápění umístěno, závisí na tom, jaký zdroj energie bude k dispozici. Při dohřívání topným kotlem (až 20 kw) má být vložený výměník umístěn v horní části zásobníku tak, aby mohl na žádané teplotě udržovat v zásobníku % denní potřeby vody. Při elektrickém dohřívání topnou tyčí (cca 2 kw) musí být na žádané teplotě udržován téměř jednodenní objem zásobníku, takže topné těleso bývá všeobecně instalováno do středu zásobníku. Energeticky nejpříznivější je dohřívání v samostatném zásobníkovém plynovém ohřívači, protože v tomto případě je k dispozici pro příjem solární energie celý objem solárního zásobníku. Dimenzování potrubí Obsah nemrznoucí směsi v potrubí představuje mrtvou kapacitu zásobníku postihovanou navíc tepelnými ztrátami, proto nemají být průměry trubek voleny zbytečně velké, na druhé straně jsou jisté průměry s ohledem na nízký výkon čerpadla potřebné. Průměr potrubí je na jedné straně závislý na velikosti kolektoru, na celkové délce potrubí (tam i zpět), při tlakové ztrátě ve vedení pokud možno pod 200 mbar. Správné průměry potrubí lze převzít z tabulky. Průměr potrubí má být volen tak, aby nebyla tlaková ztráta všech trubek včetně fitinků ventilů a zpětných klapek větší než 10 kpa (odpovídá hydrostatickému tlaku 1 m vodního sloupce) a aby rychlost proudění v potrubí nepřekročila kvůli možnému šumu 1 m/s. Jako spodní hranice je udávána rychlost 0,5 m/s, jinak příliš narostou tepelné ztráty. V tabulce

33 jsou udány průměry potrubí pro menší soustavy, které nemají mezi kolektorem a zásobníkem dlouhé spojovací potrubí. Ve velkých solárních soustavách s rozsáhlou potrubní sítí nebo při použití větších koncentrací mrazuvzdorných prostředků je vhodné volit větší průměr potrubí, aby tlaková ztráta příliš nenarostla. Toto je nutno stanovit výpočtem v projektové dokumentaci. Dimenzování oběhového čerpadla U malých solárních soustav s plochou kolektorů do 10 m 2 a délce potrubí do 50 m může detailní dimenzování potrubí odpadnout, pokud nejsou do okruhu vestavěny konstrukční díly se zvlášť velkým průtočným odporem. Tuto oblast výkonů pokryjí docela dobře několikastupňová topenářská čerpadla nejmenších výkonů. U větších soustav a speciálních provedení nelze hydraulicky výpočet okruhu a výběr vhodných čerpadel obejít. Tlaková ztráta je přitom silně závislá na průtoku, tj. na proudění celkového objemu v kolektorovém okruhu V kk. Čím větší je průtok, tím větší jsou tlakové ztráty. Pro standardní solární soustavy je doporučován průtok l/h na 1 m 2 plochy kolektoru, pro soustavy low-flow 8-15 l/m 2.h. Celkový průtok se získá násobením užitečné plochy kolektorů, např. 5 m 2 kolektorů představuje např l/h, případně l/h u low-flow soustavy. Pro volbu oběhového čerpadla, resp. jeho pracovního bodu, musí být stanovena pro tento průtok tlaková ztráta v kolektorovém okruhu. Obrázek přestavuje, z čeho se tlaková ztráta v kolektorovém okruhu skládá: Δp kolektoru - pro jednotlivý kolektor dodává výrobce obvykle diagram, z něhož je možno přímo odečíst hydraulický odpor jako funkci rychlosti proudění. Při paralelním řazení odpovídá tlaková ztráta kolektorového pole tlakové ztrátě 1 kolektoru, při řazení sériovém se odpory

34 sčítají. Maximální tlaková ztráta by neměla překročit 10 až 20 kpa ( 0,1-0,2 bar). To lze zajistit vhodnou kombinací sériového a paralelního řazení. Δp výměníky - pro zajištění dobrého přenosu tepla z kapaliny na stěnu výměníku (turbulentní proudění), je třeba usilovat o rychlost proudění ve výměníku cca 1m/s. Tlakovou ztrátu výměníku lze zjistit obdobně jako u kolektoru z příslušného diagramu tepelného výměníku dodaného výrobcem. Δp potrubí - specifická tlaková ztráta potrubí může být stanovena v závislosti na rychlosti proudění. Celkové potrubní ztráty jsou dány násobením měrné hodnoty délkou potrubí (tam i zpět). Pro armatury, pokud nejsou počtem a tlakovou ztrátou zanedbatelné, se ztráta určí dle jednotlivých tlakových ztrát podle součinitelů odporu v závislosti na rychlosti proudění nebo připočtením ekvivalentů délky potrubí. Celková tlaková ztráta v okruhu je součtem jmenovaných ztrát Δp = Δp kolektoru + Δp výměníky + Δp potrubí

35

36 V katalozích výrobců čerpadel jsou uvedeny charakteristiky čerpadel, viz obrázek pro malé třístupňové topenářské čerpadlo. V tomto diagramu jsou zaneseny charakteristiky tlakových ztrát. Čerpadlo je pro soustavu vhodné, když křivka tlakových ztrát protíná charakteristiky čerpadla. Průsečíky ukazují skutečně nastavitelné průtoky a příslušné tlakové ztráty. Mají ležet pokud možno uprostřed charakteristiky čerpadla, a ne v blízkosti osy X nebo osy Y, protože v této oblasti pracuje čerpadlo se špatnou účinností. Dimenzování expanzní nádoby a pojistného ventilu Aby bylo možno dimenzovat membránovou expanzní nádobu, je třeba nejdříve stanovit objem kapaliny Va solárního okruhu v soustavě V a =V k +V wt +V l objem soustavy = objem kolektorů +objem výměníku +objem potrubí Zvýšení objemu kapaliny při ohřátí (vlivem roztažnosti kapaliny) V d se řídí návrhem soustavy, resp. její bezpečností. 1. Objemová roztažnost závisí na tzv. součiniteli roztažnosti, který činí cca 5 % pro vodu a 10 % pro směs propylenglykolu. Pak činí nejmenší objemová roztažnost V d1 =0,05.V a pro vodu jako nosič tepla a V d1 =0,10.V a pro směsi glykolu s vodou 2. Pro vlastní bezpečnost soustavy musí být připočten k roztažnosti kapaliny ještě celkový objem kolektoru V k V d2 =V k +V d1 =V k +0,1.V a Objem nádoby Vg není shodný s objemem roztažnosti V d. Minimální velikost nádoby V g min se může vypočítat podle vztahu V gmin = V d. (P bmax + 1) / (P bmax P vor ),kde je P vor = přetlak, kterým je soustava plněna, (určovaný v barech) P b max = maximální provozní přetlak, určovaný v barech Výraz (P bmax P vor ) / (P bmax + 1) dává část objemu membránové expanzní nádoby, která je reálně k dispozici. Tato má obnášet max. 50 % celkového objemu nádoby, protože může dojít k přílišnému protažení membrány v nádobě. o Plnící přetlak P vor má být tak velký, aby do soustavy nevnikl vzduch, např. automatickým odvzdušňovačem. V chladné soustavě má v nejvyšším bodě systému činit 0,5-1 bar, aby bylo bezpečně zamezeno vstupu do okruhu. Budeme-li provozní tlak měřit na jiném než nejvyšším bodu soustavy, musíme připočíst ještě tlak vodního sloupce P stat,g,přičemž 10 m vodního sloupce odpovídá 1 bar, viz obr.č (nebo 10 kpa). o Maximální přípustný provozní tlak P bmax má být asi o 0,3 bar nižší než jmenovitý tlak na pojistném ventilu P maxsv. Ten se řídí výškou umístění pojistného ventilu P stat.sv, jakož i maximálně přípustným tlakem nejslabšího článku v systému P maxk, nejčastěji kolektoru. P bmax = P maxsv 0,3 bar = P stat,g + P maxk 0,3 bar

37 Vedení potrubí Montáž potrubí má být navržena tak, aby poskytovala pokud možno krátké cesty mezi kolektorem, zásobníkem a místem spotřeby, potrubí bylo vedeno co nejvíce v suchém prostředí a dalo se méně pracně izolovat, byl dostatek prostoru pro izolace, všechna místa, v nichž může vzniknout vzduchový pytel, mohla být odvzdušněna, celý systém se dal zcela vyprázdnit. Při montáži je třeba brát zřetel na to, že všechny materiály se při zvýšení teploty roztahují, např. měď o 1,7 mm na 1 m délky při změně teploty 100 K. U dlouhých rovných potrubí je třeba do každých 6-8 m délky zařadit tvarovku pro kompenzaci dilatace osový nebo obloukový kompenzátor. V místech ohybu a rozvětvení musí být nosná příchytka potrubí osazena v odstupu nejméně 0,5 m, viz obrázek č

38 Výběr materiálu potrubí Výběr materiálu potrubí je z větší části závislý na velikosti soustavy a na materiálu absorbéru. Je nutno varovat např. před propojením hliníkových absorbérů měděným potrubím. Pro potrubí v solárních soustavách připadají v úvahu zásadně následující materiály: měděné trubky (tvrdé nebo měkké), ocelové trubky (černé), trubky z měkké oceli, trubky ze síťovaného polyethylenu používané obvykle pro teplovodní instalace. Plastové trubky se pro solární soustavy neosvědčily, protože nejsou vhodné pro extrémní zatížení při chodu soustavy naprázdno (teploty přes 140 C při 2,5 bar). Vyloučit je třeba i rovněž ocelové pozinkované trubky, protože zinek se nesnáší s glykolem, má sklon k vytváření bahnité sraženiny.