1/51 Prvky solárních soustav a jejich navrhování

Transkript

1 1/51 Prvky solárních soustav a jejich navrhování stagnace a její vliv na návrh prvků teplonosné kapaliny, potrubí, izolace pojistná a zabezpečovací zařízení odplynění, zpětná klapka čerpadlo, výměník, regulátor

2 2/51 Stagnace stav bez odběru tepla z kolektoru v době příjmu slunečního záření příčiny: zásobník (spotřebič tepla) dosáhne požadované teploty, regulátor zastaví oběhové čerpadlo výpadek elektrické energie neoprávněný zásah do soustavy (uzavření větve) důsledky v kolektoru se zvyšuje teplota nastává rovnovážný stav: příjem energie = tepelná ztráta kolektor dosahuje maximální teploty při daných podmínkách var teplonosné látky, tvorba páry a její pronikání do rozvodů

3 3/51 Stagnační chování (1) kapalina se roztahuje (2) dosahuje bodu varu (při daném tlaku), začíná var objevují se bublinky, sytá pára, vytlačování kapaliny z kolektorů (3) zbylá kapalina v kolektoru se odpařuje vyplňování objemu kolektoru sytou párou, vysoký odvod tepla (4) pára v kolektoru se přehřívá po vyprázdnění kolektoru stabilní stav za trvajícího sl. záření (5) pokles teploty kolektoru při poklesu slunečního záření kondenzace, kapalina vyplňuje kolektor

4 Stagnační chování 4/51

5 5/51 Vyprazdňování kolektorů dobré špatné

6 6/51 Zpětná klapka správně špatně

7 7/51 Teplonosná kapalina odolná vůči cyklickým změnám skupenství provoz při nižším tlaku ( kpa) nižší bod varu ( C) vhodné pro kolektory s dobrým vyprazdňováním zpětná rozpustnost inhibitorů koroze odolná vůči tepelné degradaci provoz při vyšším tlaku ( kpa) vysoký bod varu (nedochází k vypařování) vhodné pro kolektory se špatným vyprazdňováním ovlivněn pouze zlomek objemu kolektoru ovlivněn celý objem kolektoru

8 8/51 Ochrana proti problémům kolektory s dobrou vyprazdňovací schopností správné umístění zpětné klapky volba teplonosné kapaliny správný návrh expanzní nádoby respektování tvorby páry správné dimenzování potrubí funkce zásobníku kapaliny zpomalující průnik páry teplotní odolnost všech prvků solární soustavy (potrubí, izolace,...) sklon kolektorů fasádní kolektory výrazně omezují letní špičky drain back soustavy samovolné vyprázdnění kapaliny kolektorů v době mimo provoz oběhového čerpadla

9 9/51 Teplonosné kapaliny - typy voda netoxická, nehořlavá, levná, vysoká tepelná kapacita, nízká viskozita omezený teplotní rozsah použití (sezónní soustavy), může způsobovat korozi či vylučování minerálních látek etylenglykol nemrznoucí směs s vodou, jedovatý, relativně nízká viskozita propylenglykol nemrznoucí směs s vodou, vysoká viskozita závislá na teplotě, nízká tepelná kapacita (o cca 20 % nižší než u vody), nutnost inhibitorů koroze, stabilizátorů a dalších přísad

10 10/51 Stagnace x propylenglykol cyklická změna skupenství vylučování inhibitorů na vnitřních stěnách registru absorbéru nutná zpětná rozpustnost inhibitorů koroze kapalné inhibitory degradace, zvýšení kyselosti (klesá ph), pevné usazeniny teplotní zátěž tepelný rozklad směsi při vysokých teplotách oxidační reakce, tvorba organických kyselin, pokles ph neutralizace zvýšenou zásaditostí původní kapaliny

11 11/51 Stagnace x propylenglykol běžné solární kapaliny ph=8.2 ph=6.8 pravidelné zkoušení ph ploché kolektory 150 C trubkové kolektory 300 C

12 12/51 Vlastnosti propylenglykol hustota měrná tepelná kapacita dynamická viskozita objemová roztažnost

13 13/51 Kinematická viskozita ν [mm 2 /s] vyšší viskozita, laminární proudění (třecí ztráty, místní ztráty) propylenglykol+voda výraznávoda závislost viskozity na teplotě, změna hydraulického chování soustavy při zahřátí (posun pracovního bodu) t [ C]

14 14/51 Vliv teplonosné látky na přenášený výkon, výměníky tepla nižší tepelná kapacita, nižší tepelná vodivost, vysoká viskozita, laminární proudění = nižší výkon u výměníků tepla na účinnost oběhového čerpadla hydraulická charakteristika se nezmění (oproti vodě) pokles účinnosti čerpadla vlivem vyšších třecích ztrát v těle čerpadla na velikost expanzní nádoby objemová roztažnost propylenglykolu (50/50) je vyšší než u vody

15 15/51 Potrubí a tepelné izolace funkčnost musí odpovídat typu a použití soustavy životnost odolnost vůči tlakům a teplotám, stárnutí, atmosférickým vlivům energetická náročnost potrubí nízké třecí ztráty (drsnost), vliv na spotřebu čerpací práce a el. energie pro pohon čerpadel tepelná izolace nízké tepelné ztráty, vliv na účinnost a zisky soustavy, potřebu záložní energie

16 16/51 Potrubí - materiály plastové pouze bazénové aplikace EPDM, polypropylen, polyetylen s ochranou proti UV záření

17 17/51 Potrubí - materiály měděné potrubí nízká drsnost (k = 0,001 mm), neovlivňuje zpravidla součinitel třecí tlakové ztráty (laminární proudění) (+) jednoduché spojování (pájení, lisované spoje) (+) stejný materiál jako kolektory, nulový el.-chem. potenciál ( ) cena, zvláště při d > 28 mm

18 18/51 Potrubí - materiály ocelové bezešvé vyšší drsnost (k = 0,02 mm), neovlivňuje zpravidla součinitel třecí tlakové ztráty (laminární proudění) ( ) svařování, závity ( ) pozinkované chemické reakce zinek-glykol (+) cena, zvláště při větších světlostech

19 19/51 Potrubí - materiály nerez ocel (vlnovec) ( ) vyšší tlakové ztráty ( ) cena (+) hygienický atest pro pitnou vodu (+) ohebné (r o = 2D), tvarovatelné (kombiflex) (+) rychlá a jednoduchá montáž

20 20/51 Návrh světlosti potrubí požadovaný průtok kolektorovým polem soustavy s nízkým průtokem (low-flow): 10 až 20 l/h.m 2 vysoké T na kolektorech 25 až 40 K soustavy s vysokým průtokem (high-flow): 50 až 100 l/h.m 2 nízké T na kolektorech 5 až 10 K ekonomická rychlost, ekonomický tlakový spád rychlost v potrubí 0,2 až 0,6 m/s (analogicky jako u otopných soustav)

21 21/51 Návrh světlosti potrubí požadovaná max. světlost potrubí světlosti Cu potrubí > 28 x 1.5 mm velmi drahé 2500 Kč/m dělení primárního okruhu do větví požadovaný objem potrubí objem potrubí jako ochrana expanzní nádoby proti pronikání páry při stagnaci V p = (0,5 až 1,0)V k ; V p = V EN / x1 28x1 28x1,5 35x1,5 42x1,5 54x2 64x2 76x2 89x2 108x2,5

22 22/51 Tepelná izolace - požadavky odolnost vůči max. teplotám v blízkosti kolektoru: stagnační teploty min. 170 C vzdálenější místa: min. 120 C odolnost vůči venkovnímu prostředí vlhkost - zvýšení tepelných ztrát, degradace izolace nenasákavá izolace UV záření aditiva na bázi uhlíku ptáci, hlodavci - vyzobávání, vykusování

23 23/51 Tepelná izolace materiály EPDM pěny, syntetický kaučuk (+) nízká tepelná vodivost (+) nenasákavost uzavřená struktura (0) UV ochrana ( ) potrava pro ptáky teplotní odolnost: 170 C krátkodobě 130 C dlouhodobě

24 24/51 Tepelná izolace skelná vlna skelná a minerální vlna (+) odolnost vůči UV záření ( ) otevřená struktura nutnost uzavírat do krytu, hliníková folie, oplechování (+) dlouhodobá odolnost do 280 C

25 25/51 Návrh tloušťky izolace legislativa pro tepelné soustavy vyhláška 193/2007 Sb. Cu d e [mm] 18 požadavek U N [W/m 2.K] 0,15 0,035 s iz [mm] 25 0,040 s iz [mm] 34 požadavek na minimální součinitel prostupu tepla U [W/m.K] U = 1 2λ iz d ln e + 2 s d e iz π 1 + α e ( d + 2 s ) e 1 iz ,15 0,18 0,18 0,

26 26/51 Návrh tloušťky izolace optimalizační výpočet (vyhláška 193/2007, 2, odst. 3) celkem cena izolace cena solárního tepla hospodárná tloušťka izolace náklady [Kč/m] provoz investice tloušťka izolace [mm] typické hodnoty tloušťka izolace = světlost potrubí d e [mm] < až 42 > 42 s iz [mm] * s iz = d e * ČSN EN : Tepelné solární soustavy a součásti - Soustavy průmyslově vyráběné. Kapitola 12. ČNI 2006

27 27/51 Pojistná a zabezpečovací zařízení pojistný ventil chrání primární okruh solární soustavy proti nedovolenému tlaku expanzní nádoba umožňuje změny objemu teplonosné kapaliny vlivem tepelné objemové roztažnosti bez nedovoleného zvýšení tlaku a zbytečných ztrát kapaliny způsobených otevřením pojistného ventilu a to ani v případě stagnace neexistují zvláštní normy pro jejich návrh v solárních soustavách, analogie s klasickými topenářskými, úprava vzhledem k odlišnostem

28 28/51 (Pře)Tlaky v solární soustavě otevírací tlak pojistného ventilu p PV maximální provozní tlak p e p p e e = p PV = 0,9 p 20 kpa PV pro pro p p PV PV 300 kpa > 300 kpa rozsah provozních tlaků soustavy ovlivňuje návrh expanzní nádoby p = h ρ g + 0 s p d minimální provozní tlak v nejvyšším místě p d = 20 kpa až... kpa plnicí tlak p 0 hydrostatický tlak p h

29 29/51 Pojistný ventil volba pojistného tlaku musí respektovat tlakovou odolnost prvků soustavy ovlivňuje velikost expanzní nádoby musí odpovídat volbě strategie potlačení nepříznivých účinků stagnace s změnou skupenství beze změny skupenství

30 30/51 Pojistný ventil stanovení průřezu použije se klasický topenářský návrh pro výpočet průtočného průřezu sedla ventilu Q& p So mm 2 α K v α v K Q p výtokový součinitel (vlastnost poj. ventilu) konstanta (k dispozici pro sytou vodní páru) špičkový výkon kolektorů G = 1000 W/m 2, t m - t e = 0 K

31 31/51 Umístění pojistného ventilu pojistný ventil musí být umístěn v pojistném úseku zajištěn volný odtok, bez akumulace nečistot musí být pravidelně kontrolován česká norma v pojistném úseku nesmí být uzávěr pojistný úsek 20 x d zahraniční normy omezení délky pojistného úseku neznají (!)

32 32/51 Expanzní nádoba uzavřené soustavy tlaková expanzní nádoba s membránou

33 33/51 Expanzní nádoba - návrh odlišně od vytápění, rozšíření o další členy V EN ( V + V + V ) = β s k p p V... celkový objem kapaliny v solární soustavě [l] V s... počáteční objem kapaliny v EN, V s = 1-10 % V, min 2 litry V k... objem solárních kolektorů (vypaření) [l] β... součinitel objemové roztažnosti pro t = t max t 0 = 120 K p e... maximální provozní tlak soustavy [kpa] p o... minimální provozní tlak soustavy (plnicí tlak) [kpa] e e + p p b o výběr EN s nejbližším vyšším objemem z řady

34 34/51 Součinitel objemové roztažnosti β = v( t max v( t ) v( t 0 ) 0 ) = ρ( t ρ( t 0 ) max ) 1

35 35/51 Oběhové čerpadlo - návrh stejný princip jako u otopných soustav návrh průtoku podle plochy kolektorů (měrný průtok l/h.m 2 ) zvoleného režimu (high-flow, low-flow, podle výrobce) zohlednit vlastnosti teplonosné kapaliny (viskozita, hustota) spotřeba elektrické energie na pohon čerpadla pracovní bod v oblasti nejvyšší účinnosti čerpadla oběhová čerpadla s permanentními magnety ochrana vinutí proti kondenzaci

36 36/51 Oběhové čerpadlo - účinnost 5 H [m] 4 účinnost 0,5 účinnost 0,4 3 0,3 2 H - V 0,2 1 0, V [m 3 /h] 0

37 37/51 Čerpadlové skupiny čerpadlové stanice - hnací jednotky, kompaktní instalace, urychlení montáže oběhové čerpadlo uzavírací armatury zpětná klapka připojení expanzní nádoby pojistný ventil teploměry POZOR: oběhové čerpadlo zpravidla výrazně předimenzované!

38 38/51 Výpočet tlakových ztrát třecí ztráty v potrubí místní ztráty (armatury, tvarovky, aj.) tlakové ztráty prvků (kolektorové pole, výměník) stanovení referenčního provozního bodu P průtok nemrznoucí kapaliny (podle plochy kolektorů) tlakové ztráty pro uvažovanou střední teplotu (20 C, 80 C) návrh čerpadla

39 39/51 Výpočet tlakových ztrát tlakové třecí ztráty v potrubí hladké trubky (drsnost 0 mm) x vlnovcové trubky zpravidla laminární proudění (propylenglykol voda, t t = -32 C) λ = 64/Re tlakové místní ztráty problematické stanovení součinitelů ζ tabelované hodnoty získány pro automodelní oblast (turbulentní) zjednodušený výpočet 1,3 x třecí ztráty

40 Odplynění 40/51

41 41/51 Zpětná klapka zabraňuje samovolné zpětné cirkulaci v primárním okruhu

42 42/51 Zpětná klapka - umístění správně špatně

43 43/51 Výměníky tepla trubkový výměník uvnitř akumulační nádoby k = 120 až 300 W/m 2 K (laminární proudění, volná konvekce) deskový protiproudý výměník vně zásobníku k = 1500 až 3500 W/m 2 K (vyvinuté turbulentní proudění na obou stranách) trubkový bazénový výměník k = 500 až 1000 W/m 2 K (laminární / turbulentní proudění)

44 44/51 Výměníky tepla nižší teplotní spád oproti jmenovitému nižší průtok výměníkem, vysoká viskozita, laminární proudění nižší součinitel prostupu tepla Q = k S t m změna výkonu výměníku výkon při jmenovitých podmínkách (80/60 C 20 C, 1,5 m 3 /h) = 150 kw výkon při skutečných podmínkách (55/45 C 20 C, 0,4 m 3 /h) = 5 kw výměníky o velké teplosměnné ploše pro odvedení potřebného výkonu vyšší vychlazení teplonosné kapaliny vyšší účinnost solárních kolektorů

45 45/51 Regulátor diferenční na základě porovnávání teploty v kolektoru a spotřebiči (zásobník, bazén), při překročení nastavené teplotní diference T spíná oběhové čerpadlo, při poklesu vypíná jedno-okruhový dvoj-okruhový, více-okruhový (složitější) havarijní a zabezpečovací funkce při natopení zásobníku na 85 C vypne oběhové čerpadlo při teplotě v kolektoru > 130 C vypne oběhové čerpadlo

46 46/51 Funkce t k t = t k - t z t s = 6 až 10 K t v = 2 až 4 K t z

47 Akumulace pro solární tepelnou techniku 47/51 nepravidelná dodávka tepla nepravidelná spotřeba tepla během dne během roku AKUMULAČNÍ ZÁSOBNÍK = SRDCE SOLÁRNÍ SOUSTAVY vysoce účinný kolektor + neúčinný zásobník = neúčinná soustava

48 48/51 Kritéria systémů akumulace hustota akumulace (kapacita) velikost akumulátoru (prostorové nároky) účinnost (ztráty, využitelnost akumulované energie - exergie) cena životnost bezpečnost ekologie

49 49/51 Typy vodních zásobníků 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)

50 Vodní zásobníky TV teplosměnné plochy 50/51 nádrže monovalentní bivalentní

51 Vodní zásobníky kombinované (TV+VYT) 51/51 s průtočným výměníkem nádrž v nádrži průtočný akumulační výměník