1/61 Solární soustavy příprava teplé vody vytápění ohřev bazénové vody navrhování a bilancování hydraulická zapojení
Aktivní solární soustavy 2/61 soustavy pro ohřev bazénové vody (do 35 C) soustavy pro přípravu teplé vody (do 70 C) kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění (do 80 C) soustavy pro CZT s různým stupněm akumulace (sezónní) solární chlazení a klimatizace (do 150 C) průmyslové solární soustavy (technologické teplo do 250 C) solární tepelné elektrárny (vysokoteplotní, 300 až 600 C) solární teplovzdušné soustavy (sušení, větrání)
3/61 Navrhování a bilancování solárních soustav potřeba tepla zisky solární soustavy zjednodušená bilanční metoda simulační nástroje
Navrhování solárních soustav 4/61 snížení potřeby tepla - úsporná opatření provádět jako první! příprava teplé vody úsporné armatury, zaregulování a zaizolování rozvodů, řízení cirkulace TV podle času a teploty vytápění nízkoenergetické a energeticky pasivní domy (zateplení, okna, mechanické větrání se zpětným získáváním tepla) ohřev bazénu zakrývání v době mimo provoz teplota bazénové vody
Navrhování solárních soustav 5/61 analyzovat skutečnou potřebu tepla (!) příprava teplé vody dlouhodobé měření, sada krátkodobých měření, skutečná spotřeba tepla na přípravu (včetně ztrát) směrné hodnoty: běžná spotřeba TV do 40 l/os.den (60 C) vytápění ČSN EN ISO 13 790 pokročilý, detailní výpočet denostupňová metoda jednoduchá, pro účely výpočtu solárních soustav postačující ohřev bazénu venkovní, vnitřní, skutečné teplotní a vlhkostní podmínky
Stanovení spotřeby tepla na TV 6/61 stávající budovy - dlouhodobé a věrohodné měření: dodané teplo na patě objektu, nebo zásobníku, včetně cirkulace celoroční údaje o spotřebovaném množství TV se zohledněním teploty SV a TV, ztráty odhadem alespoň týdenní měření průběhu spotřeby teplé vody měření energie zdroje pro přípravu TV, např. spotřeba plynu, odhad provozní účinnosti zdroje tepla (!)
Měření spotřeby tepla 7/61
Stanovení spotřeby tepla na TV 8/61 nové, příp. stávající budovy směrná čísla: střední standard 20 až 40 l/os.den (při teplotní úrovni 60 C) nepoužívat ČSN 06 0320: 82 l/os.den
Předimenzovaná soustava 9/61
Předimenzovaná soustava 10/61
Profil potřeby tepla na přípravu TV 11/61 letní pokles (bytové domy) oproti zimnímu období: školní prázdniny, dovolená vyšší teplota studené vody chování uživatelů (letní sprcha, zimní vana) 25 %
12/61 Vyhodnocení krátkodobého měření normalizovaná spotřeba teplé vody [%] 160 140 120 100 80 60 40 20 0 144 % 12. - 17. týden měření ve 12.-17.týdnu: 100 % korekce pro období: 1,44 3 m 3 /den návrhová letní spotřeba: 3 / 1,44 = 2,1 m 3 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 týden
Měření v BD Stodůlky 35 l/(os.den) 13/61 30000 50 odběr teplé vody 25000 teplota studené vody 40 V [l/týden] 20000 15000 10000 19,3 C 28 % 30 20 t SV [ C] 5000 Dt = 13 K 6,4 C 10 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 0
Denní profil potřeby teplé vody 14/61 denní profil (hodinové simulace, simulační softwary)
Denní profil potřeby teplé vody 15/61 450 400 BD Stodůlky 350 300 spotřeba [l] 250 200 150 100 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Denní potřeba tepla na ohřev TV 16/61 Q TV V TV, den r c t 3,6 10 TV 6 t SV V TV,den průměrná denní potřeba teplé vody [m 3 /den] r hustota vody 998 kg/m 3 c měrná tepelná kapacita vody 4187 J/kg.K t SV teplota studené vody 15 C t TV teplota teplé vody 60 C
Tepelné ztráty přípravy TV 17/61 Q Q Q Q 1 paušální přirážka p, c p, TV TV z, TV TV z Q Typ přípravy TV z Lokální průtokový ohřev 0,00 Centrální zásobníkový ohřev bez cirkulace 0,15 Centrální zásobníkový ohřev s řízenou cirkulací 0,30 Centrální zásobníkový ohřev s neřízenou cirkulací 1,00 CZT, příprava TV s meziobjektovými přípojkami, TV, CV > 2,00 zdroj: TNI 73 0302 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav Zjednodušený výpočtový postup
Potřeba tepla na vytápění 18/61 ČSN EN ISO 13790 Energetická náročnost budov Výpočet potřeby energie na vytápění a chlazení měsíční bilance, okrajové podmínky TNI 73 0329, TNI 73 0330 stupeň využití solárních a vnitřních tepelných zisků na základě akumulační schopnosti objektu (výpočet tepelné kapacity, časové konstanty) denostupňová metoda zjednodušené stanovení (TNI 73 0302) měsíční bilance, na základě venkovní teploty z výpočtové tepelné ztráty korekční součinitel: 0.75 (standard), 0.60 (nízkoenergetické), 0.50 (pasivní) Q VYT 24 Q z t t ip iv t t ep ev
Tepelné ztráty otopné soustavy 19/61 tepelné ztráty otopné soustavy Q z,vyt vlastní ohřev otopné vody (kombinovaný zásobník, část pro OS) rozvod otopné vody (tepelné ztráty do nevytápěných místností) setrvačnost otopné soustavy (přetápění, zvýšení dodávky energie) podrobný výpočet (precizní, náročný na vstupní údaje) ČSN EN 15316-2-1: sdílení tepla ( účinnost otopných ploch) ČSN EN 15316-2-3: rozvody tepla (otopné vody) paušální přirážka - zjednodušené stanovení (TNI 73 0302) Q p, VYT Q Q 1 VYT z, VYT v QVYT
Potřeba tepla na ohřev bazénu 20/61 vnitřní bazén (krytý) - komfortní nezakrývaná hladina - v době provozu zakrývaná hladina v době mimo provoz
Potřeba tepla na ohřev bazénu 21/61 venkovní bazén (nekrytý) nižší teploty nezakrývaná hladina - v době provozu zakrývaná hladina v době mimo provoz
Bilance bazénu 22/61 solární zisk sáláním vypařováním konvekcí vedením ohřev přiváděné čerstvé vody
Potřeba tepla na ohřev bazénu 23/61 provozní podmínky tepelná ztráta závisí na: teplotě bazénové vody t w teplotě okolního vzduchu t v : teplota místnosti t i venkovní teplota t e relativní vlhkosti okolního vzduchu j v : vlhkost v místnosti j i venkovní vlhkost j e rychlosti proudění vzduchu w okolo vodní hladiny teplotě okolních povrchů vlastnostech zakrytí vodní hladiny
Potřeba tepla na ohřev bazénu 24/61 provozní podmínky Typ bazénu t w [ C] p d (tw) [Pa] t v [ C] j v [%] p d (tv) [Pa] vnitřní v provozu 28 3781 30 65 2759 vnitřní mimo provoz 24 2985 20 65 1521 venkovní v provozu 24 2985 = t e,s 50 výpočet venkovní mimo provoz 20 2339 = t e,n 50 výpočet
Vlhkost - vztahy 25/61 parciální tlak syté vodní páry (závislý na teplotě vzduchu) p d exp 23.58 4044.2 235.6 t parciální tlak vodní páry (závislý na relativní vlhkosti a teplotě vzduchu p j d p d
Potřeba tepla vnitřní bazén 26/61 v době provozu p Q BV,provoz n p pab d(t w,p ) d(t v 1000 l w p p h A t t,p) 3600 i b w,p v, p p A b t w,p t v,p l w h i součinitel přenosu hmoty vypařováním p = 1,610-4 kg/(hm 2 Pa); plocha vodní hladiny bazénu teplota bazénové vody v době provozu teplota vzduchu v bazénové místnosti v době provozu výparné teplo vody 2.5 MJ/kg součinitel přestupu tepla z vodní hladiny, 10 W/m 2 K
Potřeba tepla vnitřní bazén 27/61 v době mimo provoz n Q BV,mimo n 1000 p n b d(t w,n ) d(t v, n w 24 A p p h A t t ) l 3600 i b w,n v, n n A b t w,n t v,n l w h i součinitel přenosu hmoty vypařováním n = 0 kg/(hm 2 Pa) pro zakrývaný bazén plocha vodní hladiny bazénu teplota bazénové vody v době mimo provoz teplota vzduchu v bazénové místnosti v době mimo provoz výparné teplo vody 2.5 MJ/kg součinitel přestupu tepla z vodní hladiny, 1/R zakrytí
Potřeba tepla vnitřní bazén 28/61
Potřeba tepla vnitřní bazén 29/61 nezakrývaný zakrývaný 10% 10% 15% 16% 80% 69%
Potřeba tepla venkovní bazén 30/61 v době provozu p n QBV,provoz p pab d(t w,p ) d(t e,s 1000 0,85 n H A den b l w p p h A t t ) 3600 e b w,p e,s p t w,p t e,s l w h e H den součinitel přenosu hmoty vypařováním p = 2,910-4 kg/(hm 2 Pa); teplota bazénové vody v době provozu teplota venkovního vzduchu v době provozu (slunečního svitu) výparné teplo vody 2.5 MJ/kg součinitel přestupu tepla z vodní hladiny, 15 W/m 2 K energie slunečního záření dopadající na volnou hladinu
Potřeba tepla venkovní bazén 31/61 v době mimo provoz n Q BV,mimo n 1000 p n b d(t w,n ) d(t e, n w 24 A p p h A t t ) l 3600 e b w,n e, n p t w,n t e,n l w h e součinitel přenosu hmoty vypařováním bn = 0 kg/(hm 2 Pa) pro zakrývaný bazén teplota bazénové vody v době mimo provoz teplota venkovního vzduchu v době mimo provoz (v noci) výparné teplo vody 2.5 MJ/kg součinitel přestupu tepla z vodní hladiny, závislý zda je k dispozici zakrývání nebo ne; 1/R zakrytí
Potřeba tepla venkovní bazén 32/61 nezakrývaný zakrývaný
sáláním vedením Potřeba tepla venkovní bazén 33/61 nezakrývaný zakrývaný 7% 11% 40% 42% prouděn vypařov
energie pro bazén [kwh/měs] Bilance venkovního bazénu 34/61 12000 potřeba tepla bazénu 10000 pohlcená sluneční energie na hladině energie dodaná solárními kolektory 8000 6000 4000 2000 0 květen červen červenec srpen září
Potřeba tepla na ohřev bazénu 35/61 přívod čerstvé vody 30 litrů na návštěvníka krytého plaveckého bazénu 45 litrů na návštěvníka krytého koupelového bazénu 60 litrů na návštěvníka nekrytého bazénu Q SV k V SV,os rc t w 3,6 10 t 6 SV měsíční počet návštěvníků k 0,2 k b p n k b hodinová kapacita bazénu
Teoreticky využitelný zisk kolektorů 36/61 teoreticky využitelný tepelný zisk Q k,u [kwh/m 2 ] solárních kolektorů v daném období (den, měsíc) Q k, u 0,9 hk HT Ak 1 p kwh/den, kwh/měs účinnost solárního kolektoru v dané aplikaci h k skutečná denní dávka slunečního ozáření plochy kolektoru H T tabulky v TNI 73 0302 jednotné klimatické údaje tepelné ztráty solární soustavy paušální procentní srážka p tabulky v TNI 73 0302 podle typu a velikosti solární soustavy
Účinnost solárního kolektoru 37/61 účinnost solárního kolektoru h k (střední denní, resp. měsíční účinnost) h k h a 0 1 t k,m G t T,m e,s a pro průměrnou teplotu kapaliny t k,m v kolektoru během dne tabulky v TNI 73 0302 podle typu a velikosti solární soustavy pro průměrnou venkovní teplotu v době slunečního svitu t e,s tabulky v TNI 73 0302 jednotné klimatické údaje pro střední sluneční ozáření G T,m během dne na uvažovanou plochu (sklon, orientace)... předpoklad: jasný den tabulky v TNI 73 0302 jednotné klimatické údaje 2 t k,m G t T,m e,s 2
Účinnost solárního kolektoru 38/61 průměrná denní teplota kapaliny v kolektoru t k,m Typ aplikace t k,m [ C] Ohřev bazénové vody (venkovní bazén) 30 Ohřev bazénové vody (vnitřní bazén) 35 Předehřev teplé vody, pokrytí < 35 % 35 Příprava teplé vody, 35 % < pokrytí < 70 % 40 Příprava teplé vody, pokrytí > 70 % 50 Příprava teplé vody a vytápění, pokrytí < 25 % 50 Příprava teplé vody a vytápění, pokrytí > 25 % 60
Tepelné ztráty solární soustavy 39/61 paušální srážka Q,9 H A 1 p k, u 0 hk T k Typ solární soustavy p Ohřev bazénové vody 0,01 Příprava teplé vody, do 10 m 2 0,20 Příprava teplé vody, od 10 do 50 m 2 0,10 Příprava teplé vody, od 50 do 200 m 2 0,05 Příprava teplé vody, nad 200 m 2 0,03 Příprava teplé vody a vytápění, do 10 m 2 0,30 Příprava teplé vody a vytápění, od 10 do 50 m 2 0,20 Příprava teplé vody a vytápění, od 50 do 200 m 2 0,10 Příprava teplé vody a vytápění, nad 200 m 2 0,06
Návrh plochy solárních kolektorů 40/61 Návrh plochy solárních kolektorů A k pro daný návrhový měsíc klimatické a provozní okrajové podmínky pro zajištění pokrytí potřeby tepla podle typu aplikace, podle místní dispozice p Q p c Q k, u 0,9 hk HT Ak 1,
Návrh plochy kolektorů: příprava TV 41/61 rodinné domy návrhové měsíce duben a září (100% návrhové pokrytí) střední teplota teplonosné kapaliny t k,m = 40 C odpovídá pokrytí cca 60 % roční potřeby tepla na přípravu TV bytové domy návrhový měsíc červenec (100% návrhové pokrytí) střední teplota teplonosné kapaliny t k,m = 40 C odpovídá pokrytí 40-50 % roční potřeby tepla na přípravu TV
Návrh plochy kolektorů: příprava TV 42/61
Návrh plochy kolektorů: TV + VYT 43/61 příprava TV a vytápění návrhové měsíce květen a září střední teplota teplonosné kapaliny t k,m = 50 C uvážit smysluplné využití letních přebytků uvážit stupeň pokrytí v přechodových měsících (100 %?)
Návrh plochy kolektorů: TV + VYT 44/61
Návrh plochy kolektorů: TV + VYT 45/61 2000 potřeba tepla [kwh/měs] 1500 1000 500 případ pasivní dům nelze využít v domě 0 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII měsíc
Navrhování prvků solárních soustav 46/61 Návrh prvků plocha a počet solárních kolektorů, umístění na budově v polích nosné konstrukce pro kolektory objem a konstrukce solárních zásobníků architektonická a systémová integrace hydraulická zapojení solárních soustav světlost potrubí a tloušťka izolací výměníky tepla (optimalizace cena x zisk) oběhová čerpadla (výpočet tlakových ztrát) pojistná a zabezpečovací zařízení (pojistné ventily a expanzní nádoby) Matuška, T.: Sešit projektanta č.1 Solární tepelné soustavy, STP 2009
Bilancování tepelných zisků 47/61 Bilancování solární soustavy (TNI 73 0302) pro danou plochu solárních kolektorů A k pro všechny měsíce roku (referenční dny, okrajové podmínky roku) Q ss,u = min (Q k,u ; Q p,c ) z porovnání v jednotlivých měsících vyplývá využitelnost zisků z kolektorů pro krytí potřeby tepla přebytky nelze započítat (!)
48/61 Navrhování a bilancování solárních soustav simulační nástroje Polysun T-sol
49/61 Simulační nástroje (návrh, bilance) simulace s hodinovým krokem a menším, dynamické modely prvků (zásobník, kolektor), hodinové klimatické údaje pro různé oblasti náročné na vstupní údaje, které často nejsou k dispozici (modifikátor úhlu dopadu, rozměry potrubí, tloušťky izolací, profily spotřeby, atd.) nutná zkušenost cena (x0.000 Kč) Polysun (Professional, Designer) T-Sol (Professional, Expert) TRNSYS (pro vývoj a výzkum) zcela nevhodný pro projektanta (!)
Polysun (SPF Rapperswil, CH) 50/61 Polysun Light Intuitivní ovládání pomocí asistentů a šablon hydrauliky Polysun Professional Možnost definovat vlastní komponenty, více šablon Polysun Designer Flexibilita a modularita při konstrukci hydraulických systémů
T*SOL (Valentin Software, DE) 51/61 T*SOL Pro (advanced) 80 předdefinovaných konfigurací pro přípravu teplé vody a vytápění, bazén, navrhování soustav T*SOL Expert (premium) expertní, vývoj a optimalizace soustav, monitoring, validace parametrů, komplexní soustavy (CZT, průmysl, atd)
52/61 Bilance a parametry solárních soustav měrné zisky solární pokrytí souvislosti
Bilance solární soustavy 53/61
Parametry solární soustavy 54/61 Roční solární zisk [kwh/rok] dodaný do solárního zásobníku Q k dodaný do odběru (spotřebiče) využitý zisk soustavy Q ss,u Roční úspora energie Q u [kwh/rok] závisí na skutečné provozní účinnosti nahrazovaného zdroje tepla h nz jak ji určit? je známa? spotřeba provozní el. energie pro pohon solární soustavy podklad pro výpočet úspory primární energie, úspory emisí
Parametry solární soustavy 55/61 Měrný roční solární zisk q ss,u [kwh/(m 2.rok)] vztažený k ploše apertury kolektoru A a měrná roční úspora nahrazované energie ekonomické kritérium: úspora / m 2 x investice / m 2 Solární pokrytí, solární podíl f [%] f = 100 * využitý zisk / potřeba tepla (procentní krytí potřeby tepla) Spotřeba pomocné elektrické energie Q pom,el [kwh/rok] odhad: provoz 2000 h x příkon el. zařízení (čerpadla, pohony, reg.) běžně do 1 % ze zisků ~ COP solární soustavy > 100
56/61 Solární soustavy základní parametry měrné využité solární zisky q ss,u [kwh/m 2.rok] solární podíl [-] d u s u ss c p d c p u ss Q Q Q Q Q Q Q f,,,,, 1
Bilance solární přípravy teplé vody 57/61 q ss,u = 400 kwh/m 2 f = 60 %
Bilance solární přípravy teplé vody 58/61 q ss,u = 600 kwh/m 2 f = 40 %
Bilance solární přípravy teplé vody 59/61 q ss,u = 300 kwh/m 2 f = 65 % s rostoucím solárním pokrytím klesají měrné zisky soustavy
Bilance solární přípravy teplé vody 60/61 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Q TV, Q k [kwh] 65 % 60 % 40 % 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 měsíc
Kritéria návrhu solární soustavy 61/61 ekonomické řešení - maximalizace měrných zisků solární soustavy q ss,u [kwh/m 2 rok] ekologické řešení - maximalizace solárního pokrytí f [%] - maximální nahrazení primárních paliv optimalizované řešení - požadovaný solární podíl f (optimalizace návrhu) omezené řešení - podmínky struktury budovy, omezující parametry (velikost střechy, možný sklon kolektorů, architektonické souvislosti) správně navržená soustava splňuje očekávání investora