1/69 Solární soustavy

Transkript

1 1/69 Solární soustavy hydraulická zapojení zásobníky tepla tepelné výměníky

2 2/69 Přehled solárních soustav příprava teplé vody kombinované soustavy ohřev bazénové vody hydraulická zapojení typické zisky

3 Solární soustavy pro přípravu TV 3/69 rodinné domy (3 až 6 m 2 ; 250 až 400 l), solární podíl 50 až 70 % solární zisky 300 až 400 kwh/m 2.rok 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.rok předehřev teplé vody solární podíl 20 až 40 % solární zisky 500 až 600 kwh/m 2.rok

4 Solární soustavy pro přípravu TV 4/69 rodinné domy

5 Příprava TV v bytovém domě 5/69

6 Solární příprava se zásobníky TV 6/69 objem rozdělený do více zásobníků přívod z výměníku rozdělen podle teploty, cirkulace do nejteplejšího zásobníku ochrana proti legionelle termickou desinfekcí (čerpadlo ČL)

7 Solární příprava se zásobníky tepla 7/69 objem rozdělený do více zásobníků přívod z výměníku rozdělen podle teploty, cirkulace do pohotovostního zás. ochrana proti legionelle není nutná: průtokový ohřev

8 Solární příprava se zásobníky tepla 8/69 velkoobjemový beztlaký zásobník stratifikace na přívodu ze sol. výměníku, stratifikace zpátečky z TV výměníku ochrana proti legionelle není nutná: malé objemy pohotovostních zásobníků

9 Kombinované solární soustavy (TV+VYT) 9/69 rodinné domy (6 až 12 m 2 ; 1000 až l) solární podíl: standardní domy 10 až 20 % nízkoenergetické, pasivní domy 20 až 40 % solární zisky 250 až 350 kwh/m 2.rok 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.rok

10 Kombinované solární soustavy (TV+VYT) 10/69 rodinné domy

11 Příprava TV, ohřev bazénu, vytápění 11/69

12 Solární vytápění centrální příprava TV 12/69 čtyřtrubkový rozvod (přívodní + zpětné, teplá + cirkulace) menší bytové domy, kratší rozvody

13 Solární vytápění místní příprava TV 13/69 dvojtrubkový rozvod (přívodní + zpětné) tlakově závislé bytové předávací stanice, regulace OS a příprava TV v bytech

14 Solární vytápění místní příprava TV 14/69 dvojtrubkový rozvod (přívodní + zpětné) tlakově závislé bytové předávací stanice, regulace OS a příprava TV v bytech

15 Ohřev bazénové vody 15/69 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.rok

16 Ohřev bazénové vody 16/69 provoz filtračního čerpadla energeticky náročný paralelní čerpadlo (bazénové odolnost)

17 Ohřev bazénové vody 17/69 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

18 Venkovní bazén Rusava 18/69 realizace realizace m 2 solárních kolektorů SP 80/08 rekonstrukce m 2 kolektory Ekostart

19 Celoroční zisky 450 až 540 kwh/m 2 19/ MWh 443 kwh/m MWh 461 kwh/m MWh 535 kwh/m MWh 487 kwh/m MWh 466 kwh/m 2 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

20 Provoz až 400 kwh/m 2 20/69 80 zisky musí být využitelné MWh 335 kwh/m MWh 352 kwh/m MWh 391 kwh/m MWh 365 kwh/m MWh 348 kwh/m 2 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

21 21/69 Zásobníky tepla typy navrhování objemu stratifikace tepelné ztráty

22 Voda jako akumulační látka 22/69 dostupná levná netoxická nehořlavá výborné přenosové vlastnosti (vodivost) vysoká tepelná kapacita omezený rozsah použití (0 až 100 C) malé povrchové napětí (úniky netěsnostmi) korozivita

23 Typy zásobníků 23/69 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)

24 Vodní zásobníky TV teplosměnné plochy 24/69 nádrže monovalentní bivalentní

25 Vodní zásobníky kombinované (TV+VYT) 25/69

26 Vodní zásobníky kombinované (TV+VYT) 26/69 s průtočným výměníkem nádrž v nádrži průtočný akumulační výměník

27 Kombinované zásobníky pro RD 27/69 nádrž v nádrži trubkový výměník malá teplosměnná plocha malé odběry 1 2 osoby více než 2x větší plocha větší odběry 3-4 osoby

28 Zásobníky tepla 28/69 tlakový zásobník x netlakový umístění velkých objemů při rekonstrukcích

29 Jak velký solární zásobník? 29/69 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

30 solární pokrytí[-] Porovnání velikosti akumulace 30/ 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 l/m 2 plochý kolektor 5 m2, odběr 80 l/den, tmax = 65 C, primární okruh 25 m objem zásobníku / plocha kolektorů [l/m 2 ]

31 Jak velký solární zásobník? 31/69 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

32 Exergie = využitelná energie (teplota) 32/69 využitelnost naakumulované energie ~ využitelné teplotě 150 l při 50 C 150 l při 30 C teplotní vrstvení = vysoká účinnost, vysoké pokrytí

33 Faktory ovlivňující vrstvení 33/69 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

34 Vliv přívodu a odběru tepla 34/69 nepřímé nabíjení přímé vybíjení maloplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody výměník v dolní chladné části účinnost kolektoru, využití objemu

35 Vliv přívodu a odběru tepla 35/69 přímé nabíjení nepřímé vybíjení větší solární soustavy s externím výměníkem (kombinované soustavy) nevhodné umístění výměníku (obr), lépe po celé výšce

36 Vliv přívodu a odběru tepla 36/69 nepřímé nabíjení nepřímé vybíjení jednoduché kombinované solární soustavy soustavy z hlediska vrstvení je zapojení podle obr nejméně účinné (promíchání)

37 Vliv přívodu a odběru tepla 37/69 přímé nabíjení přímé vybíjení pokročilé zásobníky s teploním vrstvením nabíjení i vybíjení po vrstvách (pístový efekt)

38 Zásobníky tepla se řízeným vrstvením 38/69 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

39 Zásobníky tepla se řízeným vrstvením 39/69 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

40 Řízené teplotní vrstvení 40/69 přívod do teplotně podobné vrstvy na základě podobné hustoty (pasivní) pokročilá regulace aktivní prvky

41 Stratifikační vestavby 41/69 výměník TV OV výměník SOL

42 Stratifikační vestavby 42/69 izolace TV výměník pro přípravu teplé vody (TV) potrubí SOL OV SV stratifikace zpátečky otopné vody (OV) stratifikační vestavba s integrovaným výměníkem přívod vychlazené vody z výměníku TV zdroj: Solvis

43 Tepelné ztráty 43/69 ovlivňují zásadně účinnost akumulace tepelná izolace zásobníků provedení přípojek tepelné mosty provedení přípojek degradace teplotního vrstvení

44 Tepelné ztráty zásobníku 44/69 měrná tepelná ztráta válcového zásobníku U.A [W/K] L UA 1 1 Di 2siz,s 1 ln D a 2 l D ( D 2s ) a i i D 1 s 2 ai l i iz 2 s iz,d iz,d iz,s i 2 1 a e i 2 x dno iz e stěna D i průměr zásobníku (bez izolace) L výška s iz tloušťka izolace l iz tepelná vodivost izolace a i součinitel přestupu tepla a e součinitel přestupu tepla na straně kapaliny na straně okolí

45 Tepelné ztráty zásobníku 45/69 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 i 1 z d U A t aku, i [MJ, kwh] t ok, i i

46 t = 20 K Tepelné ztráty zásobníku 46/ V = 750 l výška 2 m 60 teplota [ C] hladina 1 hladina 12 hladina 2 hladina 3 hladina 4 hladina 45 hladina čas [h]

47 Tepelné ztráty zásobníku 47/69 vyhláška 193/2007 Sb, požadavky na tepelné izolace zařízení minimální tloušťka izolace 100 mm při 0,045 W/mK součinitel prostupu tepla U < 0,30 W/m 2 K optimalizační výpočet (např. pro dlouhodobé zásobníky) vyhláška 442/2004 Sb., příloha 7: štítkování elektrických ohřívačů tepelná ztráta za 24 hodin ( t = 45K), vztažená k objemu ohřívače [l] Třída energetické účinnosti A B C D E F G Denní tepelná ztráta Q 24 [Wh/24/l] < >15

48 měrná ztráta tepla q 24 [kwh/l.den] Požadavky jsou přísné, nedosažitelné 48/ DIN : nepřímo ohřívané ČSN EN 15450; SR ČSN EN (kategorie A) ČSN EN (kategorie F) třída G (vyhláška 442/ třída A (vyhláška 442/ objem[l]

49 tloušťka izolace [mm] Požadavky zahraniční, smysluplné 49/ minimální tloušťka izolace o vodivosti 0,045 W/(m.K) minimální tloušťka izolace o vodivosti 0,035 W/(m.K) objem [l]

50 Vliv připojení potrubí 50/69

51 Vliv připojení potrubí 51/69 gravitační (konvekční) brzdy - přirozené zpětné klapky pro vychlazování

52 Vliv připojení potrubí 52/69 konvekční brzdy

53 53/69 Výměníky tepla výkon teplotní rozdíl účinnost

54 Výměníky tepla 54/69 přenesení výkonu z primárního okruhu (kolektory) do sekundárního (zásobník, odběr) oddělení kapalin primární okruh (glykol) sekundární okruh (otopná voda, teplá voda) terciární okruh (teplá voda) vnitřní výměníky uvnitř zásobníků (trubkové) vnější výměníky vně zásobníků, samostatné (deskové, trubkové)

55 Výměníky tepla - bilance 55/69 Q Q 1 2 U A t m / // M c t // Q M c t Q t1 / t2

56 Výměníky tepla přenášený výkon 56/69 přenášený výkon výměníku = výkon kolektorového pole Q k A k G a t t A a t t 0 1 m e k 2 m e 2 zvolit podmínky provozu, například: G = 1000 W/m 2 t e = 20 C t m = C vhodné ověřit několik stavů průtoky, teploty velmi citlivé

57 Výměníky tepla teplotní poměry 57/69 Q U A t m t max t m t I ln t t I t II II tepelná účinnost výměníku Q Q max C C 1 min t t 1 max C C 2 min t t 2 max snaha zajistit > 75 %, t m < 8 K

58 Okrajové podmínky výpočtu 58/69 definovaný návrhový stav x dynamické chování v provozu průtoky M 1 a M 2 buď předem dány hydraulikou a volbou oběhových čerpadel výsledkem výpočtu výměníku přenášený výkon dán výkonem kolektorového pole Q k vstupní teploty do výměníku dány provozním charakterem primární strana sekundární strana / t C / t C návrh výměníku = návrh U.A [W/K] možnost výpočtu skutečných podmínek v závislosti na volbě typu výměníku

59 Výměníky tepla: trubkové 59/69 trubkový výměník uvnitř akumulační nádoby U = 100 až 300 W/m 2 K A = 1 až 5 m 2 (laminární proudění, volná konvekce)

60 Výměníky tepla: trubka-plášť 60/69 trubkový bazénový výměník U = 500 až 1000 W/m 2 K A = 0.2 až 2 m 2 (laminární / turbulentní proudění) nízká tlaková ztráta v okruhu bazénové vody (velké průtoky) odolnost proti bazénové vodě nerez provedení odolnost proti slané vodě titanové slitiny

61 Výměníky tepla: deskové 61/69 deskový protiproudý výměník vně zásobníku U = 1000 až 3500 W/m 2 K A = 0.1 až 1 m 2 (vyvinuté turbulentní proudění na obou stranách) výkon určuje počet a tvar desek pájené nerozebiratelné výměníky šroubované rozebíratelné výměníky (zanášení)

62 Návrh s nomogramy 62/69 U A t m,1 0 t m,2

63 Návrh s nomogramy 63/69

64 Výměníky tepla deskové 64/69

65 Výměníky tepla deskové 65/69

66 Změna výkonu při změně podmínek 66/69 nižší teplotní spád oproti jmenovitému nižší průtok výměníkem, vysoká viskozita, laminární proudění nižší součinitel prostupu tepla změna výkonu výměníku Q U A 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) = t m 5 kw výměníky o velké teplosměnné ploše pro odvedení potřebného výkonu vyšší vychlazení teplonosné kapaliny vyšší účinnost solárních kolektorů

67 Změna parametrů při změně výměníku 67/69 Q = 20 kw t m = 3.3 K Q = 13.7 kw t m = 12 K 50 C 47 C 50 C 39 C 780 l/h 93 % 640 l/h 780 l/h 63 % 640 l/h 25 C 20 C 33 C 20 C U = 1500 W/m 2 K U = 1900 W/m 2 K A = 4 m 2 A = 0.6 m 2

68 Výměníky tepla 68/69 analýza optimálního teplotního spádu na výměníku tepla pro solární soustavu se jmenovitým tepelným výkonem 240 kw (plocha kolektorů 400 m 2 ) Rozdíl teplot [K] Teplosměnná plocha [m 2 ] 8,9 11,1 14,8 22,2 Poměr zvětšení plochy [%] Účinnost kolektorů [%] 40,0 41,5 43,0 44,5 Návratnost [roky] 1,2 1,6 2,4

69 Provoz 69/69 znečištění výměníku změna tlakových ztrát, snížení průtoku snížení přestupu tepla, snížení výkonu provozní podmínky, omezení stagnace tepelná izolace výměníku teplotní čidla (indikace funkce)