1/86 Solární soustavy s vysokým pokrytím

Transkript

1 1/86 Solární soustavy s vysokým pokrytím soběstačnost průběh teplot v zásobníku návrh soustavy integrace solárních kolektorů do obálky budovy

2 Nulová x soběstačná budova 2/86 energeticky nulová budova není budova bez potřeby vytápět není budova bez potřeby vnější energie bilančně nulová z hlediska potřeby primární energie roční potřeba je kompenzována roční produkcí s využitím externí sítě významná interakce s externí sítí energeticky soběstačná budova potřeba energie je kompenzována produkcí/akumulací místním zdrojem v každém okamžiku / v každé hodině minimalizace interakce s externí sítí, zvýšení nezávislosti

3 Co znamená místní? 3/86 budova obálka domu jako hranice pozemek, zahrada plot jako hranice vlastnické právo správní území (distrikt) územní jednotka, čtvrť, obec,... ČR, Evropa...

4 Jaké zdroje energie jsou místní? 4/86 sluneční energie - solární zařízení solární termické soustavy solární fotovoltaické systémy energie okolního prostředí - tepelná čerpadla využití energie okolního vzduchu využití energie zemského masivu, vč. spodní vody využití sluneční energie akumulace (tepla, elektřiny)

5 Solární domy se 100% pokrytím 5/86 pokusy a realizace 30. léta v USA nárůst experimentů v pol. 70. let IEA Solar Heating and Cooling Programme: : Task 13 Advanced Solar Low Energy Buildings : Task 26 Solar Combisystems : Task 32 Advanced Storage Concepts for Solar and Low Energy Buildings : Task 40 Net Zero Energy Solar Buildings : Task 41 - Solar Energy and Architecture

6 Prehistorie solárních domů v ČR 6/86 Experimentální nízkoenergetický dům VUES v Podolí u Brna % 330 m 2, 2300 m 3 45 cm plná cihla, 20 cm izolace tepelná ztráta 10 kw vzduchový kolektor 24 ks kapalinových vakuových kolektorů Thermosolar Kč 2 vodní zásobníky á 50 m 3 pouze pro podlahové vytápění přímo nebo přes TČ

7 Solární aktivní domy 7/86 European Solar Thermal Technology Platform 2006 ESTIF, EUREC solární tepelné soustavy jako hlavní OZT pro nízkoteplotní aplikace podpora technologického vývoje, vytipování oblastí výzkumu cíl do 2030: pokrýt 50 % nízkoteplotní potřeby tepla v Evropě solární aktivní domy se 100% pokrytím potřeby tepla a chladu jako stavební standard pro novostavby solární rekonstrukce domů: 50% pokrytí potřeby tepla a chladu

8 Solární aktivní dům 8/86

9 Akumulace tepla 9/86 akumulace tepla klíčová otázka potřeba vysoké hustoty akumulace, bezztrátové citelné teplo: 100 až 300 MJ/m 3 využití tepelné kapacity, změna teploty latentní teplo: 200 až 500 MJ/m 3 skupenské teplo tání-tuhnutí sorpční teplo: 500 až 1000 MJ/m 3 akumulace vodní páry: adsorpce, absorpce chemické teplo: 1000 až 3000 MJ/m 3 vratné chemické reakce: jímání / uvolňování tepla

10 Základní problém 10/ potřeba tepla Qv dopadlá sluneční energie Qs leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec Q v, Q s [kwh] Q v = Q sezónní akumulace s sluneční energie!!!

11 Solární tepelné soustavy 11/86 běžná konfigurace spořič tepla úsporné opatření, částečné pokrytí potřeby tepla snižuje energetickou náročnost přípravy teplé vody, případně vytápění Druh solární soustavy pokrytí roční zisky [ % ] [ kwh/m 2 ] Solární ohřev vody 40 až až 500 Vytápění a ohřev vody 10 až až 400

12 Solární tepelné soustavy 12/86 hlavní zdroj tepla 100% pokrytí sezónní akumulace solárních zisků přenesení z léta do zimy výrazně předimenzovaná plocha kolektorů a objem zásobníku ekonomicky problematické řešení, zvláště pro soustavy vytápění a přípravy teplé vody čím vyšší pokrytí potřeby energie solární soustavou (= vyšší úspora emisí) tím nižší měrný energetický zisk (= horší ekonomika) 100% pokrytí = měrné zisky pod 200 kwh/m 2.rok

13 100 % pokrytí 13/ září-říjen teplota v akumulátoru [ C] K 30 K březen-duben pouze vytápění 10 vytápění a příprava TV dny

14 100% pokrytí vytápění a TV 14/86 v každém okamžiku je k dispozici dostatek energie o požadované teplotní úrovni nízká potřeba tepla na vytápění, nízkoteplotní otopná soustava, využití pasivních solárních zisků nízká potřeba tepla na přípravu TV, vysoce úsporné armatury, nízká teplota TV (35-37 C) Sonnenhaus Diergardt

15 Rodinný dům Regensburg 15/86 Sonnenhaus Lehner, DE 38 m 3, 83 m 2, 2006 zdroj: Jenni Energietechnik

16 16/86 zásobník (etc) kolektory celkem odhad: Kč Kč Kč zdroj: Sonnenhaus Institut

17 Rodinný dům Regensburg 17/86 zdroj: Sonnenhaus Institut

18 Bytový dům Oberburg Oberburg Sonnenhaus, CH 8 bytových jednotek 205 m 3, 276 m 2, /86 zdroj: Jenni Energietechnik

19 100% vytápění a příprava teplé vody 19/86 zdroj: Jenni Energietechnik

20 100% vytápění a příprava teplé vody 20/86

21 Sezónní akumulace pouze pro vytápění 21/86 simulační analýza dům: objem 500 m 3, plocha 150 m 2 standard nízkoenergetický dům 35 kwh/m 2.rok pasivní dům 15 kwh/m 2.rok otopná soustava vysokoteplotní 50/44 C nízkoteplotní 25/22 C běžné ploché kolektory zásobník vodní, uložený v zemi, izolace 50 cm

22 Sezónní akumulace pouze pro vytápění 22/86

23 23/86 Nízkoenergetický dům (100 %) pokrytí 100 % p z A k [m 2 ] 40 A k p z 60 p z [%] /22 C 50/44 C A k 30 V a [m 3 ]

24 Pasivní dům (100 %) 24/ /22 C 50/44 C pokrytí 100 % p z A k [m 2 ] 40 p z 120 p z [%] A k A k V a [m 3 ]

25 NED nákladové optimum 25/ varianta NED 1200 N i [tis.kč] m 3 / 42 m %, 25/22 C 100 %, 25/22 C 75 %, 50/44 C 100 %, 50/44 C m 3 / 22 m 2 V a [m 3 ]

26 PAS nákladové optimum 26/ varianta PAS N i [tis.kč] m 3 / 24 m %, 25/22 C 100 %, 25/22 C 75 %, 50/44 C 100 %, 50/44 C m 3 / 15 m 2 V a [m 3 ]

27 Souhrnné výsledky 27/86 typ domu Nízkoenergetický dům Pasivní dům pokrytí 100 % 75 % 100 % 75 % 25/22 C 50/44 C 100 m 3 /22 m 2 60 m 3 /17 m 2 40 m 3 /15 m 2 40 m 3 /9 m tis. Kč tis. Kč m 3 /42 m 2 80 m 3 /28 m 2 80 m 3 /24 m 2 40 m 3 /18 m tis. Kč tis. Kč 430 nízkoteplotní vytápění: snížení nákladů o 40 % (100% pokrytí) pokrytí 100 %: zvýšení nákladů o 35 až 45 % oproti 75 %

28 Závěry analýzy pouze vytápění 28/86 Pro variantu pasivního domu PAS s nízkoteplotní otopnou soustavou: 40 m 3 vodního objemu zásobníku 14 m 2 pro 100% pokrytí investiční náklady > 400 tis. Kč solární soustava se sezónním zásobníkem pro krytí vytápění představuje pro pasivní variantu rodinného domu zhruba 5 až 10 % ceny rodinného domu. návratnost investice se pohybuje v řádu běžné životnosti solární soustavy.

29 Sezónní akumulace pro sídliště 29/86 společná akumulace pro soubor domů nížší ztráty, vyšší využitelnost centrální zdroj tepla, vyrovnání špiček nižší emise

30 Návrh solární soustavy se 100% pokrytím 30/86 výpočet potřeby tepla na vytápění EN ISO zjednodušeně denostupňová metoda (z tepelné ztráty) Q, 24d Q p VYT, mes z t i, p t iv t t e, p ev kwh/měs výpočet potřeby tepla na přípravu TV Q p, TV, mes d V c t TV 6 3,6 10 t SV kwh/měs

31 Teoreticky využitelný zisk kolektorů 31/86 teoreticky využitelný tepelný zisk Q k,u [kwh/m 2 ] solárních kolektorů v daném období (měsíc) Q k, u 0,9 hk HT,mes Ak 1 p kwh/měs skutečná denní dávka slunečního ozáření plochy kolektoru H T,měs tabulky v TNI jednotné klimatické údaje účinnost solárního kolektoru v dané aplikaci h k tepelné ztráty solární soustavy - paušální procentní srážka p = 0,5

32 Účinnost solárního kolektoru 32/86 účinnost solárního kolektoru h k (střední měsíční účinnost) h k h a 0 1 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 tabulky v TNI jednotné klimatické údaje pro průměrnou teplotu kapaliny t k,m v kolektoru viz dále t k,m G t T,m e,s a 2 t k,m G t T,m e,s 2

33 Provozní teplota solární soustavy 33/86 průměrná měsíční teplota kapaliny t k,m v kolektoru t k, m t min minimální teplota vybitého zásobníku pouze vytápění t min = 30 C vytápění a TV t min = 50 C t max t aku, m t max = 70 až 80 C t t t t max 2 min max maximální teplota nabitého zásobníku 2 min M 6 sin 2 12

34 Návrh prvků soustavy 34/86 určení ročního měrného zisku 12 qk, u,rok 0,9 hk,i HT,i 1 p kwh/m 2.rok 1 návrh plochy kolektorů A k Q q p,rok k,u,rok m 2 návrh objemu zásobníku V aku 6 3,6 10 Qp,rok m t max t min

35 Bilance 35/ potřeba Q p ; zisky Q ss,u [kwh/měs] teplota v zásobníku [ C] 0 leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec měsíc 0

36 36/86 Zásobníky tepla vodní zásobníky PCM zásobníky návrh objemu stratifikace tepelné ztráty

37 Akumulace pro solární tepelnou techniku 37/86 nepravidelná dodávka tepla nepravidelná spotřeba tepla během dne během roku AKUMULAČNÍ ZÁSOBNÍK = SRDCE SOLÁRNÍ SOUSTAVY vysoce účinný kolektor + neúčinný zásobník = neúčinná soustava

38 Kritéria systémů akumulace 38/86 hustota akumulace (kapacita) velikost akumulátoru (prostorové nároky) účinnost (ztráty, využitelnost akumulované energie - exergie) cena životnost bezpečnost ekologie

39 Typy akumulace 39/86 akumulace s využitím citelného tepla využití tepelné kapacity látek, úměrné rozdílu teplot hustota akumulace: 100 až 300 MJ/m 3 komerčně dostupné tepelné ztráty akumulace s využitím skupenského tepla využití změny skupenství tání-tuhnutí (při konst. teplotě) + tepelné kapacity hustota akumulace: 200 až 500 MJ/m 3 akumulace s využitím sorpčního tepla akumulace vodní páry v tuhé (adsorpce) nebo kapalné (absorpce) látce, uvolňování tepla při sorpci hustota akumulace: 500 až 1000 MJ/m 3 ve vývoji, bezztrátové skladování tepla akumulace s využití chemických reakcí vratné chemické reakce doprovázené jímáním uvolňováním tepla hustota akumulace: 1000 až 3000 MJ/m 3

40 Zásobníky tepla - rozdělení 40/86

41 Akumulace s využitím citelného tepla 41/86 Q t 2 V t 1 c dt V c t 1 t 2 Pracovní látka Rozsah teplot Dt [ C] Měrná tepelná kapacita c [Wh/kg.K] Hustota [kg/m 3 ] Objemová tepelná kapacita.c [Wh/m 3.K] voda , vzduch ,28 1,1 0,31 olej ,44-0, štěrk,písek , granit , beton , cihla , železo , štěrkovodní zásyp (37%vody) ,

42 Voda jako akumulační látka 42/86 dostupná levná netoxická nehořlavá výborné přenosové vlastnosti (vodivost) vysoká tepelná kapacita omezený rozsah použití (0 až 100 C) malé povrchové napětí (úniky netěsnostmi) korozivita

43 Typy zásobníků 43/86 podle účelu použití zásobníky teplé vody zásobníky otopné vody, zásobníky tepla, kombinované podle teplosměnné plochy (počtu) nádrže (0), monovalentní (1), bivalentní (2), trivalentní (3),... podle tlaku tlakové netlakové (volná hladina) podle periody akumulace krátkodobé (denní, několikadenní) dlouhodobé (sezónní)

44 Vodní zásobníky TV teplosměnné plochy 44/86 nádrže monovalentní bivalentní

45 Vodní zásobníky kombinované (TV+VYT) 45/86

46 Vodní zásobníky kombinované (TV+VYT) 46/86 s průtočným výměníkem nádrž v nádrži průtočný akumulační výměník

47 Zásobníky tepla 47/86 tlakový zásobník x netlakový umístění velkých objemů při rekonstrukcích

48 Sezónní zásobníky tepla 48/86 vodní zásobníky štěrko-vodní zásobníky zemní sondy aquifery

49 Sezónní zásobníky tepla 49/86 vodní zásobníky štěrko-vodní zásobníky zásobníky zemní sondy aquifery zemský masiv

50 Jak velký solární zásobník? 50/86 příprava teplé vody 50 l/m 2 kolektorové plochy podpora vytápění 50 až 70 l/m 2 kolektorové plochy závisí, zda je zároveň zásobníkem pro jiný zdroj tepla dřevokotel s ručním přikládáním 50 l/kw automatický na pelety 25 l/kw tepelné čerpadlo 30 l/kw plynový kotel kondenzační 25 l/kw

51 solární pokrytí[-] Porovnání velikosti akumulace 51/ l/m 2 trubkový kolektor 5 m2, odběr 160 l/den, tmax = 80 C, primární okruh 60 m plochý kolektor 5 m2, odběr 160 l/den, tmax = 80 C, primární okruh 60 m plochý kolektor 5 m2, odběr 160 l/den, tmax = 80 C, primární okruh 25 m plochý kolektor 5 m2, odběr 80 l/den, tmax = 65 C, primární okruh 25 m objem zásobníku / plocha kolektorů [l/m 2 ]

52 Jak velký solární zásobník? 52/86 kombinovaný zásobník společný pro solární soustavu a hlavní zdroj tepla příklad solární soustava 10 m 2 kotel na dřevo 10 kw 2/3 objemu = cca 500 l zásobník 750 l 10 kw x 50 l = 500 l 10 m 2 x 50 l = 500 l K

53 Jaký kombinovaný solární zásobník? 53/86 nádrž v nádrži trubkový výměník malá teplosměnná plocha malé odběry 1 2 osoby více než 2x větší plocha větší odběry 3-4 osoby

54 Exergie = využitelná energie (teplota) 54/86 využitelnost naakumulované energie ~ využitelné teplotě 150 l při 50 C 150 l při 30 C teplotní vrstvení = vysoká účinnost, vysoké pokrytí

55 Faktory ovlivňující vrstvení 55/86 štíhlost zásobníku: poměr výška / šířka přívod teplé vody odběr teplé vody přívod studené vody tepelné ztráty zásobníku vertikální vedení tepla ve stěně zásobníku vedení pracovní látkou zásobníku

56 Vliv přívodu a odběru tepla 56/86 nepřímé nabíjení přímé vybíjení maloplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody výměník v dolní chladné části účinnost kolektoru, využití objemu

57 Vliv přívodu a odběru tepla 57/86 přímé nabíjení nepřímé vybíjení větší solární soustavy s externím výměníkem (kombinované soustavy) nevhodné umístění výměníku (obr), lépe po celé výšce

58 Vliv přívodu a odběru tepla 58/86 nepřímé nabíjení nepřímé vybíjení jednoduché kombinované solární soustavy soustavy z hlediska vrstvení je zapojení podle obr nejméně účinné (promíchání)

59 Vliv přívodu a odběru tepla 59/86 přímé nabíjení přímé vybíjení pokročilé zásobníky s teploním vrstvením nabíjení i vybíjení po vrstvách (pístový efekt)

60 Zásobníky tepla se řízeným vrstvením 60/86 stratifikace (teplotní vrstvení) objemu zásobníku podle teploty ukládání tepla do vrstev o podobné teplotě v horní části je výrazně vyšší teplota než ve spodní části (udržuje se studená) snížení potřeby dodatkové energie zvýšení využití solárních zisků zvýšení solárního podílu

61 Zásobníky tepla se řízeným vrstvením 61/86 předpokladem je nízký průtok (low flow) dosažení vyššího teplotního rozdílu na kolektoru (30 až 40 K) např. řízení soustavy na konstantní výstupní teplotu, once through režim ohřev na požadovanou teplotu při jediném průchodu teplonosné kapaliny kolektorem stratifikační vestavby aktivní pasivní

62 Řízené teplotní vrstvení 62/86 přívod do teplotně podobné vrstvy na základě podobné hustoty (pasivní) pokročilá regulace aktivní prvky

63 Stratifikační vestavby 63/86 výměník TV OV výměník SOL

64 Stratifikační vestavby 64/86 TV izolace výměník pro přípravu teplé vody (TV) SOL OV SV potrubí stratifikace zpátečky otopné vody (OV) stratifikační vestavba s integrovaným výměníkem přívod vychlazené vody z výměníku TV zdroj: Solvis

65 Tepelné ztráty 65/86 ovlivňují zásadně účinnost akumulace tepelná izolace zásobníků provedení přípojek tepelné mosty provedení přípojek degradace teplotního vrstvení

66 Tepelné ztráty zásobníku 66/86 měrná tepelná ztráta válcového zásobníku U.A [W/K] UA D 2 s L 2 s D 2 s e 1 s a l i iz,s iz,s iz,s s l z,s z,s 1 a e iz,d 2 1 s a l i e iz,d iz,d stěna 2 x dno s l z,d z,d iz,s 2 1 a e D e průměr zásobníku (bez izolace); D e + 2.s iz (s izolací), L výška s iz tloušťka izolace l iz tepelná vodivost izolace s z tloušťka stěny zásobníku l z tepelná vodivost stěny a i součinitel přestupu tepla a e součinitel přestupu tepla na straně kapaliny na straně okolí

67 Tepelné ztráty zásobníku 67/86 tepelná ztráta zásobníku (výkon) Q z, aku U A t aku t ok [W] ztráta tepla zásobníku (energie) Q Q z, aku z, aku Q n i1 z d U A t aku, i [MJ, kwh] t ok, i D i

68 tloušťka izolace [mm] Požadavky zahraniční, smysluplné 68/ minimální tloušťka izolace o vodivosti 0,045 W/(m.K) 40 minimální tloušťka izolace o vodivosti 0,035 W/(m.K) objem [l]

69 Vliv připojení potrubí 69/86

70 Vliv připojení potrubí 70/86 gravitační (konvekční) brzdy - přirozené zpětné klapky pro vychlazování

71 Vliv připojení potrubí 71/86 konvekční brzdy

72 Trendy 72/86 kompaktní (integrované) řešení minimalizace chyb montáže optimalizovaná hydraulika vysoká účinnost soustavy úspora místa Izolace Solar vstup Solar výstup Spalovací komora Hořák Spalinový výměník Regulátor Stratifikační vestavba umístění do pobytových prostor Solární expanzní nádoba Výměník tepla pro teplou vodu Solární výměník tepla Solární čerpadlo Výstup teplé vody Přívod studené vody Výstup otopné vody Vstup otopné vody

73 Trendy 73/86

74 Akumulace s využitím změny skupenství 74/86 změna skupenství doprovázená jímáním / uvolňováním tepla kapalina plyn: nevhodná změna objemu kapalina tuhá látka: vhodné (tání tuhnutí) Q t t l c t t V p cp t 1 t t k k 2 t citelné teplo pevné skupenství skupenské teplo citelné teplo kapalné skupenství kde t t... teplota změny skupenství t 1 < t t < t 2 l t... skupenské teplo tání - tuhnutí

75 Akumulace s využitím změny skupenství 75/86

76 Akumulace s využitím změny skupenství 76/86 42 MJ Dt = 10 K 124 MJ

77 Akumulace s využitím změny skupenství 77/ MJ Dt = 50 K 194 MJ

78 Látky se změnou skupenství (PCM) 78/86 l t [kj/kg] voda vodní roztoky solí hydráty solí a eutektické směsi parafín t t [ C] anorganické PCM: hydráty solí (Glauberova) + vysoké teplo tání + vysoká tepelná vodivost - korozivní - podchlazování - segregace fází organické PCM: vosky, parafíny, mastné kys. + chemický a tepelně stabilní + nekorozivní - nízká tepelná vodivost - nízké teplo tání

79 Látky se změnou skupenství (PCM) 79/86 vlastnosti vhodná teplota tání / tuhnutí pro solární soustavy: C, možnost volby teploty na míru nízká tepelná vodivost (parafíny) - nerovnoměrné tání, snížení akumulační schopnosti použití vodivých matric, kompozitní materiály (grafit) změna objemu při změně fáze není kritické (do 15 %) koroze (soli) důraz na dlouhodobou stabilitu vlastností (cyklická změna skupenství) podchlazování: omezit nebo využít?

80 Podchlazování 80/86 omezená nukleace pevné fáze 42 MJ Dt = 10 K 16 MJ