SO-PRO Solární technologické teplo

SO-PRO Solární technologické teplo Pøíruèka pro navrhování zaøízení pro výrobu solárního tepla pro vybrané prùmyslové procesy www.solar-process-heat.eu

Impresum: Energy Centre Èeské Budìjovice Námìstí Pøemysla Otakara II. 87/5 37 1 Èeské Budìjovice eccb@eccb.cz, www.eccb.cz Autoøi pøíruèky: Stefan Heß, Fraunhofer ISE, Nìmecko Axel Oliva, Fraunhofer ISE, Nìmecko Èeskou verzi zpracoval tým ECÈB v roce 1 Tato publikace se opírá o evropskou verzi Solar Process Heat Generation: Guide to Solar Thermal System Design for Selected Industrial Processes, která byla vypracována ISE - Frauenhoferovou spoleèností na podporu aplikovaného výzkumu, vìdeckým partnerem projektu. Evropská verze je k dispozici na www.solar-process-heat.eu. Tato publikace byla vydána za finanèní podpory EU v rámci projektu Solar Process Heat (Solární technologické teplo). Za obsah této publikace je odpovìdný výhradnì autor. Obsah nemusí vyjadøovat názor Evropského spoleèenství. Evropská komise není odpovìdná za jakékoliv užití informací obsažených v této publikaci.

SO-PRO Solární technologické teplo Pøíruèka pro navrhování zaøízení pro výrobu solárního tepla pro vybrané prùmyslové procesy www.solar-process-heat.eu

SO-PRO Obsah: 1 Úvod 6 1.1 Výroba solárního procesního tepla má vysoký potenciál 6 1. Úèel a využití této pøíruèky 6 Konkrétní úspìšné pøíklady 7 3 Pøedbìžná opatøení 9 3.1 Analýza podmínek pro instalaci v dané budovì a provozu 9 3. Analýza vlastností výrobního procesu a tepelné distribuèní sítì 9 3.3 Optimalizace procesu a energeticky úsporná opatøení 11 4 Návrh solárního systému 1 4.1 Obecné úvahy 1 4. Urèení vhodného prùbìhu potøeb tepla 1 4.3 Výpoèet potøeby tepla: pøíklad 13 4.4 Pøedbìžný výpoèet plochy kolektorù a výbìr typu kolektorù 13 4.5 Návrh velikosti akumulaèní nádrže 15 4.6 Simulace systému 15 4.7 Nomogramy pro návrh systému 15 5 Návrhy systémù pro ètyøi vybrané typy využití 19 5.1 Ohøev vody na mytí/èištìní 19 5. Pøedehøev doplòované napájecí vody pro výrobu technologické páry 1 5.3 Ohøev náplní prùmyslových van 5.4 Konvekèní sušení teplým vzduchem 6 6 Pravidla pro navrhování a provoz solárních termických systémù v prùmyslu 8 6.1 Pøipojení k prùmyslovému procesu/bìžný systém pøípravy tepla 8 6. Stagnace 8 6.3 Provoz solárnì termického systému 3 7 Náklady a dotace 31 7.1 Náklady na bìžný systém 31 7. Dotaèní programy 31 7..1 Evropské dotace 31 7.. Národní dotace 3 7..3 Regionální dotace 3 8 Závìr 33 9 Literatura / další informace 34

1 Úvod 1.1 Výroba solárního procesního tepla má vysoký potenciál Potenciál pro výrobu solárního procesního tepla je ohromný: v Evropì tvoøí teplo spotøebované v prùmyslu až 7 % z celkové koneèné spotøeby energie. Z toho 3 % tvoøí poptávka po teplotách nižších než 1 C a dalších 7 % je požadováno v teplotách 1 C 4 C [1]. Výrazná èást této spotøeby, zejména v teplotách pod 1 C, mùže být vyrábìna solárními termickými systémy. Slibnými oblastmi využití solární termické energie jsou potravináøský, textilní, papírenský a chemický prùmysl, kovovýroba a obrábìní []. 1. Úèel a využití této pøíruèky Tato pøíruèka je urèena pro solární spoleènosti, montážní firmy, energetické poradce, projektanty a výzkumné pracovníky. Základní pravidla návrhu pro zaèlenìní solárního termického systému do výrobního procesu jsou zde uvedena pro ètyøi vybrané typy prùmyslového využití: ohøev užitkové vody pro otevøené mycí/èisticí procesy, pøedehøev a ohøev doplòované napájecí vody pro (èásteènì) otevøené parní technologické sítì, ohøev náplní prùmyslových van, otevøený systém sušení v proudícím horkém vzduchu. Tyto ètyøi typy využití byly vybrány vzhledem k jejich pøíznivì nízkým procesním teplotám a èastému výskytu v rùzných prùmyslových procesech. Pøíruèka, kterou právì držíte v rukou, je struèným a praktickým dokumentem obsahujícím technické informace o možnostech zaèlenìní solárního termického systému do zmínìných typù prùmyslového využití. Hlavním cílem je propojení dvou blízkých oborù: prùmyslového a solárnì termického inženýrství (nejde o poskytnutí obsáhlých projektových zásad). Jde pouze o letmý náhled do ètyø zmínìných typù využití a také do základù projektování solárních termických systémù. Detailnì jsou vysvìtleny nìkteré kroky projektování. Obšírnìjší informace ohlednì konkrétních projektových prvkù mohou být nalezeny v odkazovaných materiálech. Poznámka: Je dùležité si uvìdomit, že doporuèené návrhy systémù a simulované zisky energie jsou platné pouze pro ètyøi pøedstavované konkrétní pøíklady. Aèkoliv vybrané pøíklady jsou reprezentativní pro uvedené typy aplikací, mohou se jednotlivá optimální øešení projektù solárních termických systémù kvùli vysoké variabilitì prùmyslových provozù a meteorologických podmínek lišit. Znamená to, že výsledky uvádìné v této pøíruèce musejí být individuálnì pøizpùsobeny odlišnostem jednotlivých prùmyslových soustav a meteorologických podmínek, odlišnostem v jejich regulaci a potøebì tepla. 6

SO-PRO Konkrétní úspìšné pøíklady Montesano (potravináøství, mytí/èištìní) Jatka v Montesanu vyrábìjí masné produkty. V roce 8 zde byl instalován solární termický systém s plochou kolektorù 9 m (o instalovaném výkonu 3 kw, jde o výkon pøi zisku 7 W/m ) a s akumulaèní nádrží 3 o objemu 3 m. Systém zajiš uje 45 % potøeby teplé vody o požadované teplotì 4 a 6 C. Pùvodním palivem na výrobu tepla byl ELTO. Díky pøíznivé poloze a výši požadovaných teplot systém vyrobí 314 MWh tepelné energie/rok (183 kwh/m ). Náklady èinily EUR. Obr. 1: Ploché kolektory na støeše výrobní haly v Montesanu na ostrovì Tenerife, La Esperanza, Španìlsko. Laguna (textilní prùmysl, úprava a mytí vodou) Laguna je støednì velká prádelna v obchodní ètvrti v Marburgu v Nìmecku. Dva plynové parní kotle (po 3 kw) vyrábìjí páru rozvádìnou sítìmi do potøebných technologických procesù. Výrazný podíl páry je spotøebován pøímo. Kondenzát z nepøímo užívané páry je veden zpìt do napájecí nádrže. Pracovní doba je od 7:3 hod. do 15:3 hod., nepracuje se o víkendech, provoz ale bìží celých 1 mìsícù. Obr. : Plocha s prototypy vylepšených plochých kolektorù (ve stavbì). Kolektory mají dvì krycí vrstvy (solární sklo a plastová fólie)a jsou vybaveny vnìjšími reflektory. V èervnu 1 zde instalovali solární termický systém s úèinnou plochou 57 m (4 kw) a akumulaèní nádrží 3 o objemu 3,3 m. Systém podporuje èásteènì otevøenou parní sí prádelny tím, že pøedehøívá demineralizovanou, pøídavnou vodu ( C 9 C). Je zde také demonstrováno solární pøedehøívání napájecí vody (9 C 1 C). Steinbach & Vollmann (povrchové úpravy, ohøev prùmyslových van) Steinbach a Vollmann, firma zabývající se kovovýrobou, vyrábí zámky, kování a závìsy již více než 15 let. Instalací nového otopného systému v roce 4 spoleènost snížila svou spotøebu plynu o 9 %. V roce 8 byl instalován solární termický systém o ploše kolektorù 4 m (8 kw). Byly použity vakuové trubicové kolektory a systém využívá 3 akumulaèní nádrž o velikosti 9 m. Systém pøedehøívá zpìtnou vìtev topného systému pro 16 galvanických van 3 (celkem 1 m ) a také konvenèní systém ohøevu vody a vytápìní. Vany pùsobí v systému na zpùsob pøídavných akumulaèních nádrží. Požadovaná teplota roztoku ve vanách je v rozmezí 6 8 C. Celkové náklady èinily 4 EUR. Firma získala dotace od oblastní vlády ve výši 3 EUR/m (1 EUR). Solární termický systém snížil zbývající potøebu plynu ještì o dalších 3-35 %. Doba amortizace je odhadnuta na 7 let (vèetnì dotací). Co se týká samotných technologických procesù v prádelnì, je zde ohøívána mìkká voda na praní ( C 8 C). Kolektory pracují pøi teplotách až do 15 C. Obr. 3: Vakuové trubicové kolektory (4 m ) na støeše firmy Steinbach & Vollmann, v Heiligenhausu, Nìmecko. 7

Obr. 4: Ploché teplovzdušné kolektory na støeše firmy (ventilaèní potrubí teplého vzduchu je vpravo). Lammsbräu (pivovar, konvekèní sušení se vzduchovými kolektory) Firma Lammsbräu bratrù Ehrenspergerových v Neumarktu v Nìmecku je pivovarem a sladovnou s dlouholetou tradicí. Všechny složky na výrobu piva již od roku 1987 pocházejí z ekologického zemìdìlství. V roce zde nainstalovali pole jednovrstvých sklenìných teplovzdušných kolektorù. Systém teplovzdušných kolektorù pøedehøívá èerstvý vzduch na vysoušení ve sladovnì. Jelikož vzduch je užíván pøímo, není tøeba akumulaèní nádrže a užitná teplota je velice pøíznivá. Na sušení je potøeba teplot do výše 6 C. 8

SO-PRO 3 Pøedbìžná opatøení Pøi projektovém zámìru instalace solárního termického systému na podporu výroby tepla v prùmyslovém objektu je tøeba pøedem vypracovat tøi následné analýzy: analýza podmínek pro instalaci v dané budovì a provozu, analýza vlastností výrobního procesu a tepelné distribuèní sítì, analýza možností optimalizace procesu a opatøení na úsporu energie. Podrobnost analýz musí postupnì stoupat od kroku jedna ke kroku tøi. Provoz, ekonomika a spolehlivost solárního termického systému velmi závisí na dùkladné analýze vlastností výrobního procesu a na dùkladném prošetøení možností úspor energie. Pouze svìdomité zpracování krokù, podrobnì popsaných dále, mùže zajistit vhodnou a spolehlivou prùmyslovou energetickou koncepci s pøedvídatelnými úsporami energie a také zajistí dobrý základ pro zodpovìdné osoby k odùvodnìní investic do solární energie. 3.1 Analýza podmínek pro instalaci v dané budovì a provozu Obyèejnì staèí krátká návštìva podniku, aby se zjistilo, jestli vùbec stojí za to, zabývat se využitím solárního tepla. Schopný technik èi inženýr podniku, který zná podmínky výroby, stav budov, systém výroby tepla a distribuèní sí, by mìl s touto první hrubou analýzou pomoci. Prvním krokem by mìlo být vyplnìní Dotazníku SO-PRO pro podniky. V pøípadì, že podnik nesplní nìkteré z vyøazovacích kritérií, využití solárního tepla nebude vhodným øešením. Pokud ovšem vyhodnocení dotazníku vyznívá pozitivnì, doporuèujeme následující kroky: a) Zhotovte nárys budovy s jejími základními charakteristikami jako jsou rozmìry disponibilních nezastínìných støešních ploch, jejich orientace a sklon, možnosti pøistavení jeøábu (èasto nutné), data statiky budovy apod. b) Proveïte hrubý výpoèet velikosti støešní plochy vhodné pro umístìní kolektorù, dále velikosti prostoru vhodného pro akumulaèní nádrž (a jiných zaøízení). Spoètìte vzdálenost od kolektorù k akumulaèní nádrži a k prostoru, kde probíhá výrobní proces v nìmž zamýšlíte využívat solární teplo. Zaneste tato data do návrhu! c) Prodiskutujte s technikem a zástupcem podniku, zda-li se nevyskytují nìjaké legislativní požadavky èi možná omezení týkající se instalace solárního termického zaøízení. 3. Analýza vlastností výrobního procesu a tepelné distribuèní sítì Je velice dùležité roztøídit si výrobní procesy v podniku, které spotøebovávají tepelnou energii, na uzavøené a otevøené procesy a na nepøetržité a pøerušované. Zvláštní pozornost je tøeba vìnovat nepøetržitým otevøeným procesùm bez rekuperace materiálu èi tepla, jelikož poskytují pro využití solární termiky nejvìtší potenciál. a) Shromáždìte dostupná data o dodávkách tepla v podniku. Nejdùležitìjší hodnoty jsou teploty procesù, které spotøebovávají tepelnou energii a teploty v pøívodní a zpìtné vìtvi v již existující tepelné síti. Dále je tøeba vìdìt, o jaký systém dodávající teplo jde, jaký je zdroj tepelné energie (plyn, topný olej, elektøina), jaké jsou ceny energie, hrubý odhad úèinnosti topného systému a též hodnoty dodávek tepla do výrobních procesù sestavené na základì dlouhodobìjších záznamù. b) Porovnejte a projdìte si všechny tepelné procesy, abyste zjistili, zda je reálné, aby byl solární systém zapojen do tìchto procesù. Schémata procesù jsou velmi užiteèná, zejména pro správné chápání tokù materiálù a energie. Je tøeba znát prùmìrné vstupní a výstupní teploty výrobních procesù a celková dodávka tepla by mìla být rozdìlena dle jednotlivých výrobních procesù. Snažte se v pøípadì potøeby tepla pro jeden proces odhadnout, jak jsou hmotnostní 9

toky vysoké a promìnlivé. Pokud jsou stálé, je to pro využití solárního systému vhodnìjší. Zamìøte se zejména na procesy s nízkou teplotou (napø. ohøev užitkové vody k èištìní), jelikož jsou pro rekuperaci tepla a využití solární energie vùbec nejvýhodnìjší. Napájecí voda pro kotel 9 C 1 C 158 kwh Mìkká voda pro automatickou prádelnu 3 C - 7 C 34 kwh Pøídavná procesní voda C - 9 C 86 kwh Mìkká voda do praèek C - 8 C 7 kwh Obr. 5: Pøíklad: Denní potøeba tepelné energie pro ètyøi typy procesù v prádelnì Laguna. Po zmìøení pøítokové a odtokové teploty a hmotnostního prùtoku po dobu nìkolika týdnù byly spoèteny prùmìrné hodnoty denní dodávky tepla. Automatická prádelna není solárním systémem podporována vzhledem k existenci vnitøní tepelné rekuperace. Systém byl naprojektován tak, aby úspornì pøedehøíval dva další nízkoteplotní procesy a aby na nìm byl pøedveden pøedehøev napájecí vody v kotli v prùbìhu vìdeckého projektu. c) Urèete, zda jsou reálná opatøení pro úspory energie èi rekuperaci tepla, která by pak mohla mít v podniku pøednost. Pøi odborné návštìvì podniku tomu mùže pomoci prošetøení následujících aspektù: - Je izolace potrubí, akumulaèní nádrže a pøístrojù v dobrém stavu? - Lze nalézt v závodì nìjaké procesy, u nichž je nevyužitá odpadní teplá voda èi jiné medium? - Jsou v závodì nìjaká opatøení na rekuperaci tepla a jaké jsou v tomto ohledu plány do budoucna? - Pokud je využívána pára jako pøenosové medium, jsou nainstalovány okruhy pro vracení kondenzátu? Pokud ano, jsou v podniku stroje, které pøímo spotøebovávají èást páry? - Probíhají v závodì nìjaké èinnosti (napø. èištìní zaøízení nebo podlahy), pøi nichž nelze využít rekuperaci tepla z technických èi ekonomických dùvodù? Když se pøi první analýze procesu ukáže, že jsou zde vhodné podmínky pro využití solární termiky, musí se potom pøikroèit k dùkladnìjší analýze. Je tøeba vytvoøit schémata dodávek tepla na základì denní, týdenní a roèní spotøeby (viz kap. 4). Vytvoøení schémat je nutné i kvùli níže popsaným energeticky úsporným opatøením. 1

SO-PRO 3.3 Optimalizace procesu a energeticky úsporná opatøení Prùmyslové procesy se dají optimalizovat mnohými zpùsoby. Pokud bìžnì projektanti a inženýøi usilují o optimalizaci, jde jim o optimalizaci samotného výrobního procesu a vìtšinou se nejedná o úspory energie, spíše o úspory materiálu èi o èasovou efektivnost. Takové zmìny mohou ovšem èasto mít výrazný vliv i na dodávku tepla. Pokud jsou tedy v podniku plánované zásadní zmìny výrobních procesù v nejbližších pìti letech, mìlo by se pøi návrhu solárního systému poèítat už s novými a spolehlivými údaji o potøebì tepla. Snižování spotøeby tepelné energie (napø. rekuperace tepla) jako prostøedek optimalizace výroby má velký ekonomický potenciál v mnoha prùmyslových odvìtvích. Je to ovšem dosti složitá otázka, jelikož opatøení na zmìnu dodávky tepla mohou ovlivòovat samotný výrobní proces. Zvláš provìøeny by mìly být následující možnosti modernizace výrobního zaøízení, výmìna starého otopného systému, využívání kondenzaèního tepla u plynového kotle, rekuperace odpadního tepla. Pokud jsou tato opatøení v podniku realizovatelná, mìla by být pøedem dùkladnì zanalyzována specialistou. Adekvátní metodologií pro dùkladné zhodnocení krokù, které by vedly k využívání odpadního tepla a optimalizaci tepelných procesù, je tzv. Pinch analýza. Aby mohla být vypoètena minimální potøeba energie dodávané zvenku do podniku, je tøeba stanovit teoreticky optimální propojení výmìny tepla mezi všemi procesy spotøebovávajícími teplo. Ohlednì instalace solárního termického zaøízení je vùbec nejdùležitìjší pøimìøený odhad minimální použitelné teploty, jíž se dosáhne po optimalizaci tepelného procesu. Struèná charakteristika Pinch analýzy a informace o solárním teple v energeticky úsporných procesech jsou uvedeny v [3]. Co se týká úspor energií v prùmyslu a obnovitelného prùmyslového tepla, výborným zdrojem informací je projekt EINSTEIN (Expert system for an INtelligent Supply of Thermal Energy In Industry Odborný systém na inteligentní dodávky tepelné energie v prùmyslu) [4]. V jeho rámci byla vyvinuta podrobná moderní softwarová auditová metodika k provádìní prùmyslových auditù. Výsledky mohou výraznì napomoci jak k optimalizaci podnikové energetiky, tak k využití obnovitelné tepelné energie. V projektu je zdokumentováno nìkolik pøíkladù vhodných realizací opatøení na úsporu tepla v prùmyslu. 11

4 Návrh solárního systému Z pøedbìžných analýz známe všechny dùležité podmínky soustavy a možnosti úspor energií byly prozkoumány (viz kapitola 3). Dalším krokem je vytvoøení skuteèných schémat dodávky tepla do daných procesù a výpoèet celkové tepelné dodávky. To bude základem k hrubému odhadnutí potøebné plochy kolektorù a objemu akumulaèních nádrží. Lze k tomu také použít nomogramy. Koneèným krokem k vytvoøení návrhu solárního systému je provedení systémových simulací, v nichž budou užity parametry dané již pøedtím jako poèáteèní hodnoty. 4.1 Obecné úvahy Nejdùležitìjším faktorem pro využití solárního systému je vìtšinou minimální dostupná teplota. Jde o to, nalézt nejnižší teplotu v procesu, pøi které je pak do procesu možné vložit významné množství solárního tepla. To ovlivòuje i teploty kapaliny v kolektorovém okruhu, které by mìly být co nejnižší, jelikož systém je nejúèinnìjší pøi nízkých teplotách. Slibné jsou otevøené procesy bez rekuperace tepla. Jak již bylo øeèeno, minimální dostupná teplota by mìla být spolehlivì zmìøená a než bude tato hodnota použita pro návrh, je tøeba vzít v úvahu veškerá úsporná opatøení. Nejhospodárnìji vycházejí procesy s teplotami pod 5 C. U procesních teplot nad 1 C se zvyšuje i hodnota nejnižší dostupné teploty, protože tehdy jsou vìtšinou aplikována rekuperaèní opatøení. Solární teplo mùže být do procesù integrováno pøímo nebo pøes tepelnou distribuèní sí. Integrace pøes tepelnou distribuèní sí umožòuje nepøímou podporu tepelných procesù (napø. pøedehøevem napájecí vody) a využití více energie, ale nejnižší dosažitelné teploty bývají vìtšinou nižší, když je solární termický systém zapojen do procesu pøímo (vyjma èásteènì otevøených parních sítí). Jelikož solární procesní teplo je èasto využíváno pro pøedehøívání, jsou energetické zisky prùmyslových solárních systémù èasto mnohem vyšší než u solárních systémù v domácnostech. 4. Urèení vhodného prùbìhu potøeb tepla Pro vytvoøení návrhu systému je tøeba znát hodnoty potøeb tepla v podporovaných procesech, a to pro období jednoho dne, týdne a roku. Základní kriteria pro hodnoty vhodné k využití solárního tepla jsou: - dodávky tepla probíhají v období delším než tøi ètvrtì roku, vèetnì léta; - teplo se dodává alespoò 5 dní v týdnu; - denní potøeba tepla v létì by nemìla být nižší než po zbytek roku. K vytvoøení tìchto hodnotových schémat obvykle nestaèí krátká mìøení a informace od pracovníkù závodu. Je velice žádoucí provést mìøení tepelné potøeby, tj. potøebu tepelné energie a výši teplot všech potenciálnì vhodných procesù alespoò bìhem bìžného pracovního dne. Profil potøeby tepla by též mìl být upraven odeètením energie, kterou chceme uspoøit na základì vybraných úsporných opatøení a s uvažováním pouze takové teploty, která nastane po aplikaci daných opatøení. 1

SO-PRO 1 pracovní den 1 pracovní týden 1 rok potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 4 6 8 1 1 14 16 18 4 denní èas 1 3 4 5 6 7 den v týdnu 5 1 15 5 3 35 4 45 5 týden v roce Obr. 6: Schéma pøerušované potøeby tepla pro proces èištìní výrobních zaøízení v malém závodì. Schéma potøeby tepla na obr. 6 se týká potøeby vody na mytí v menším potravináøském závodì (dvì smìny), ve kterém se nepracuje o víkendech, první a poslední týden v roce a tøi týdny v srpnu. V dobì provozu potøebuje závod vždy urèité množství teplé vody, ale potøeba není kontinuální, jelikož teplá voda je zapotøebí zejména v èase od h do h, kdy se myjí výrobní zaøízení pøed koncem pracovní doby. 4.3 Výpoèet potøeby tepla: pøíklad Pøíklad potøeby tepla na obr. 6 odpovídá potravináøskému závodu. Tato spoleènost potøebuje bìhem pracovního dne 3 1 m teplé vody o teplotì 6 C. Mìøení hmotnostního prùtoku ukázala denní distribuci (veèerní špièka), týdenní a roèní potøebu sdìlili zamìstnanci podniku. Dùležitá je nejnižší dosažitelná vstupní teplota vody ve výši 15 C, protože voda právì o této teplotì bude ohøívána. Opatøení na úsporu energie nelze aplikovat, jelikož voda je používána v rùzných èástech firmy a je výraznì ochlazována èisticími procesy. Pro takovýto ohøev je denní poptávka energie zhruba následující: Poptávka/den = m*c p.stø * T = (1 kg*4,18 kj/(kg*k)*45 K)/36 kj/kwh = 5,5 kwh 3 Dennì je distribuováno 1 m vody podle schématu naznaèeného vlevo na obr. 6. Bìhem šestnácti a pùl hodinové pracovní doby (5:3 :) je nejvyšší potøeba vody v dobì od do hodin. Po zbytek pracovní doby (14,5 hodiny) je potøeba tepla oproti maximu pouhých %. Snadným výpoètem z grafu zjistíme, že v provozní dobì mimo dobu maximální potøeby se v továrnì spotøebuje pøibližnì 48 litrù za hodinu teplé vody o teplotì 6 C (1,3 kwh/h). 3 Od h do h je potøeba 4 l/h pøi 6 C (16,5 kwh/h). Za celý týden obnáší spotøeba 5 m èi 61,5 kwh/týden. Po zapoètení 5 týdnù, kdy je továrna v neèinnosti, è iní roèní spotøeba tepelné energie pøibližnì 1,8 MWh/rok. K nadimenzování solárního termického systému je dùležité znát prùmìrnou denní potøebu teplé vody, protože dodávka se bìhem týdne a roku mìní, protože o víkendech a o svátcích není potøeba tepla pro pøípravu teplé vody. Pokud by tedy v našem pøíkladu byla dodávka bìhem pracovního dne 1 l, prùmìrná denní potøeba v prùbìhu roku bude èinit 66 l. 4.4 Pøedbìžný výpoèet plochy kolektorù a výbìr typu kolektorù Dùležité je rozlišovat mezi hrubou plochou kolektorù a plochou apertury kolektorù. Hrubá plocha kolektoru je vlastnì rozmìr kolektoru (výška x šíøka), která urèuje minimální potøebnou plochu k instalaci kolektorù na støeše. 13

Plocha apertury (oznaèovaná A a) se rovná ploše, kterou vchází do kolektoru svìtlo. Je to oblast, kudy vchází do kolektoru sluneèní záøení a pùsobí na absorbér, a už pøímo èi nepøímo pøes reflektory. Plocha apertury je tedy vždycky menší než hrubá plocha. Všechny hodnoty týkající se kolektorù, napø. køivka úèinnosti, náklady, prùmìrný roèní zisk, jsou vìtšinou udávány na základì plochy apertury. Potenciální plocha apertury kolektorù mùže být pro šikmou støechu vypoèítána, když vydìlíme obsah použitelné nezastínìné plochy obsahem hrubé plochy kolektorù. Výsledný poèet kolektorù musí být potom vynásoben plochou apertury kolektoru. V pøípadì ploché støechy je tøeba nejdøíve vydìlit obsah nezastínìné plochy konstantou,5, aby byla zahrnuta nezbytná vzdálenost mezi šikmo postavenými kolektory. K pøedbìžnému dimenzování kolektorového pole jsou dva možné pøístupy: a) Vynásobte dosažitelnou plochu apertury kolektorù hodnotou 5 kwh/m Aa a výsledek vydìlte množstvím požadovaného tepla v podporovaných procesech za období jednoho roku. Pokud bude výsledný solární podíl v rozsahu 1 5 %, zaènìte se simulacemi. b) Jako poèáteèní hodnotu použijte 4 % roèní tepelné potøeby firmy a vydìlte ji 5 kwh/m. Pokud je odchylka od jižního smìru do, nemá to na výkon kolektorù výrazný vliv. Sklon kolektorù je vhodný kolem 35. V jižní Evropì mùže být sklon o nìco nižší, ve støední Evropì zase vyšší, ale záleží to samozøejmì na prùbìhu potøeby tepla bìhem roku. Tab. 1: Porovnání plochých a vakuových trubicových kolektorù Aa Ploché kolektory Vakuové trubicové kolektory Nižší náklady Lepší pomìr cena/výkon Mùže nahradit normální støechu Stagnace: lépe se chovají pøi vyprazdòování a mají nižší stagnaèní teplotu než vakuové kolektory s trubicemi v U-konfiguraci (viz oddíl 6.) Vyšší roèní energetické zisky Ke stejným energetickým ziskùm potøebují menší plochu kolektorù Vyšší úèinnost pøi vyšších teplotách kolektorù a nízkém záøení (v zimì) Pro procesy o teplotách nižších než 5 C jsou vìtšinou hospodárnìjším øešením ploché kolektory. V pøípadech, kdy je tato hodnota vyšší, je vhodné provést srovnávací simulace mezi rùznými typy kolektorù, v nichž musíme vzít v úvahu užitnou plochu støechy a cenu za plochu apertury. Pøehled komerènì dostupných kolektorù pro vyšší teploty se struènou informací o jejich principech èinnosti mùžete najít v [5], [13]. 14

SO-PRO V jižní Evropì jsou ploché kolektory èasto používány pro procesy s teplotami nad 6 C, jelikož prùmìrné teploty prostøedí a solární záøení jsou vyšší. Pøíklady vlivu procesních teplot a lokality na výbìr typu kolektorù najdete v oddíle 5.3. Nadimenzování kolektorového pole, výbìr typu kolektorù a urèení sklonu kolektorù by mìly být vždy stanoveny na základì simulací rùzných systémù. Závisí na mnoha faktorech jako je umístìní, prùbìh potøeby tepla, nejnižší dostupná teplota, teplota procesu, objem akumulaèní nádrže, koncepce systému a další. 4.5 Návrh velikosti akumulaèní nádrže Chceme-li provádìt simulace rùzných systémù výroby prùmyslového procesního tepla, zaèínáme u návrhu velikosti nádrže vìtšinou u hodnoty 5 l nádrž/m Aa. Urèení optimální velikosti nádrže záleží na vzájemném vztahu mezi solárními zisky a prùbìhem dodávek tepla do procesu. Když se jedná o menší podniky, ve kterých není provoz o víkendech, mìla by být akumulaèní nádrž v systému tak velká, aby byla schopna akumulovat solární zisky z víkendu. Pokud je akumulaèní nádrž pøíliš malá, má to za následek pøíliš vysoké teploty kolektorù a to mùže zapøíèinit stagnaci systému (viz oddíl 6.). V jižní Evropì se instalují vìtšinou vìtší akumulaèní nádrže (>5 l nádrž/m Aa) vzhledem k vìtším solárním ziskùm. Koneèné rozhodnutí o výbìru akumulaèní nádrže musí také vycházet z rùzných simulací systému. Výsledek také záleží na typu a koncepci akumulace (jedna nádrž s kvalitní stratifikací, paralelní nádrže, kaskádové øešení), na zpùsobu regulace nabíjení a vybíjení a zapojení k procesu. 4.6 Simulace systému Simulace systémù jsou nezbytné pro kvalitní návrh solárního systému v prùmyslovém procesu. Když se využijí nomogramy z 5. kapitoly (vysvìtlené jsou v kapitole 4.7), tak se tím sníží poèet simulaèních variant. Pøi provádìní simulací by mìl být mìnìn pouze jeden parametr, aby se tím ukázal jeho vliv na roèní zisky energie a velikost solárního pokrytí (napø. velikost akumulaèní nádrže). Existuje velké množství softwarových nástrojù, všechny ovšem nejsou vhodné na simulaci termických solárních systémù v prùmyslu. Dùležitým kritériem je možnost urèení vlastní potøeby tepla v nezbytných podrobnostech. Program by mìl být také schopen simulovat koncepci systému, který bude co nejbližší naší pøedstavì. 4.7 Nomogramy pro návrh systému Nomogramy jsou výsledkem systémových simulací s rùznými parametry. Dobøe naznaèují vlastnosti systému, èímž pomáhají k vytvoøení jeho kvalitního návrhu. Samozøejmì, že jeden nomogram je platný pouze pro daný provoz, pro danou koncepci systému, prùbìh potøeby tepla a urèité teploty. Potøeba tepla zùstává stejná, velikost solárního systému se mìní. Když uvažujeme o využití solárního termického systému v obdobné aplikaci, mohou být nomogramy také využity, ale jen k pøedbìžnému návrhu, mùže se tak snížit poèet jejich variant. Nomogramy v této pøíruèce jsou nezávislé na velikosti systému. Z toho dùvodu byly použité pouze mìrné hodnoty. 15

8 7 Temelín celkové sluneèní záøení = 157 kwh/rok.m 8 7 solární pokrytí [%] 6 5 4 3 1 3. objem akum. nádrže 1 l/m Aa objem akum. nádrže 3 l/m Aa objem akum. nádrže 5 l/m Aa objem akum. nádrže 7 l/m Aa 1. 4.. 6 5 4 3 1 zisky solárního zaøízení [kwh/rok.m Aa ] 5 5 75 1 15 15 175 èinitel mìrného využití [litry èisticí vody/den.m Aa] Obr. 7: Nomogram solárního systému z obr. 8 pro prùbìh potøeby dle obr. 6 (zvýšení teploty z 15 C na 6 C, jednovrstevnì zasklené ploché kolektory, vrstvená akumulace, úhel 35 ). V nomogramu jsou použité ètyøi rozdílné barvy korespondující (objem v litrech vztažený na 1 m plochy apertury kolektorù). se ètyømi mìrnými velikostmi akumulaèní nádrže Èinitel mìrného využití (osa x) ukazuje, kolik litrù teplé vody pøipadá na 1 m instalované plochy apertury kolektorù. Samozøejmì, že mohou být použité také jiné mìrné hodnoty potøeby energie vztažené na plochu apertury, jako napøíklad potøeba tepla v prùmyslové lázni (obr. 16). Na levé ose y je zobrazeno solární pokrytí (nepøerušované køivky). Solární pokrytí je obecnì pomìr mezi celkovými využitelnými zisky solární soustavy a celkovou potøebou tepla. Ne ovšem celkovou spotøebou podniku, ale pouze procesu, který chceme podpoøit solární energií. Nepøerušované køivky v grafu znázoròují ètyøi mìrné objemy nádrže. Na pravé ose y zobrazuje pøerušovaná køivka mìrné zisky solární soustavy (energie získaná ze systému za rok a na m plochy apertury kolektorù). Co se týká solárního pokrytí, jsou do grafu zaneseny také mìrné zisky solárního systému pro urèité podíly mezi potøebou, plochou apertury kolektorù a objemem nádrže. Pøerušované køivky znázoròují zisky solárního systému pro jednotlivé mìrné objemy akumulaèní nádrže. Závislosti znázornìné v nomogramech jsou následující: Velké solární systémy mají ve srovnání s potøebou tepla nízké mìrné využití (levá strana diagramu). Solární pokrytí tìchto systémù je velice vysoké, ale mìrné zisky solárního systému z m jsou nízké, což snižuje ekonomickou efektivitu systému. U velkých solárních systémù je navíc riziko stagnace o víkendu a v dobì nízké potøeby tepla. 16

SO-PRO Malé solární systémy vykazují ve srovnání s potøebou tepla vysoké mìrné využití (pravá strana diagramu). Mìrné zisky solárního systému jsou výrazné, jelikož potøeba tepla je vždy podstatnì vyšší než výkon solárního systému. Naopak solární pokrytí je nízké, což mùže také snížit hospodárnost projektu, jelikož úsilí vynaložené na projektování a analýzu procesu pøedstavuje významný podíl v nákladech pøi navrhování solárního systému. Nízké solární pokrytí také nevykazuje udržitelnost, ponìvadž náklady na energii v podniku jsou stále silnì vázány na nákupní ceny energií a investice neumožòují v pøípadì modernizace zdrojù tepla snížit výkon systému výroby konvenèního tepla. Systém s malým mìrným objemem akumulaèní nádrže nese riziko delších èasù stagnace a vysokých pracovních teplot v kolektorovém obvodu, což snižuje výkon kolektorù. Takovýto systém by mìl být použit pouze v pøípadì, že solární pokrytí je relativnì nízké a potøeba tepla je nepøerušovaná (i o víkendech a prázdninách). Z obr. 7 je zøejmé, že pro pøíslušnou koncepci systému a schéma potøeby je 1 l/m i 3 l/m nedostateèné. Vyšší mìrné objemy akumulace vedou k vìtším ziskùm systému a vìtšímu solárnímu pokrytí. Vìtšinou nepotøebujeme, aby pomìr velikosti nádrží a plochy kolektorù byl vìtší než 5 l/m, jelikož velikost nádrží se promítá do nákladù a do velikosti plochy zabrané systémem. Pøíliš velké nádrže mívají nižší teplotu akumulované vody na podporu procesu, takže v nìkterých pøípadech pracuje záložní ohøívaè i v dobì èásteèné potøeby, což je nehospodárné ve srovnání se systémy s menším objemem nádrží. Záleží samozøejmì také na typu nádrže a zpùsobu regulace (viz oddíl 4.5) Pøíklad Nomogramy mohou být použity k zobrazení rùzných metod žádný standardní postup není. Pokud je nejdùležitìjším hlediskem hospodárnost projektu, mìli bychom se øídit zejména hodnotou ziskù solárního systému. Pøedbìžné dimenzování systému z obr. 8 mùže být provedeno takto: vyberte oblast na køivce (1), kde jsou jak výrazné zisky solárního systému (: 495 kwh/rok.m ) tak velké solární pokrytí ( 3: 35,5 %). V pøípadì 5 l/m Aa Aa, Výslednou plochu apertury kolektorù spoèítejte pomocí èinitele mìrného využití (4). Napø.: Výsledná plocha = (66 l vody/den) / 75 = 88 m Aa Potøebný objem akumulaèních nádrží spoèítáte: Objem nádrže = 5 l/m *88 m plochy kolektorù = 44 l Aa Aa Vypoèítejte roèní energetické zisky sluneèního zaøízení tohoto typu buï z hodnoty ziskù solárního systému nebo z hodnoty solárního pokrytí: Roèní zisk energie = 495 kwh/rok.m * 88 m = 43,56 MWh/rok Roèní zisk energie = 1,8 MWh/rok * 35,5 % = 43,59 MWh/rok Zkuste výpoèty zmìnit. Pokud napøíklad nainstalujete pouze 66 m Aa kolektorù (èinitel mìrného využití = 1) se stejným mìrným objemem nádrží (oranžová køivka), stoupnou zisky energie na 515 l/m Aa, ale podíl solární energie klesne na 7,5 % a zisky celého systému se sníží na 1,8*,75 = 33,77 MWh/rok. Kdybyste na plochu 88 m Aa (èinitel mìrného využití 75) použili nádrže v pomìru 7 l/m Aa, tak zisky ze solárního systému vystoupají na 53 kwh/m Aa a rok a solární pokrytí bude 37, %. 17

Porovnejte køivky z nomogramù s vlastními variantami v simulaèním programu, abyste zjistili, do jaké míry nomogram odpovídá vašemu procesu. Nakonec svùj systém navrhnìte na základì vašich simulací systému, v úvahu vezmìte ještì ceny a dostupnost jednotlivých prvkù systému. Jde také o to, udržet dostateènì velké solární pokrytí. Samozøejmì, že ve skuteènosti jsou také dùležité ceny a dostupnost jednotlivých komponentù. V našem pøípadì by mohly být použité pøedmontované moduly s plochými kolektory o ploše 1 m, celkem 14 o ploše 14 m, základní akumulaèní 3 3 3 nádrž o objemu m a kaskáda dvou paralelních zásobníkù po,5 m, takže celkový objem nádrží bude 7 m. Na dalších stranách budou popsány solární systémy pro ètyøi zmínìná prioritní využití spolu se schématy potøeby tepla. Pro tyto systémy a potøeby tepla s pøíslušnými teplotami probìhly simulace systémù o rùzných teplotách v TRSYS. Výsledky jsou prezentovány v kapitole 5 v pøíslušných nomogramech návrhù. 18

SO-PRO 5 Návrhy systémù pro ètyøi vybrané typy využití 5.1 Ohøev vody na mytí/èištìní Podporovaný systém na pøípravu teplé vody je otevøený systém bez rekuperace tepla, jelikož voda na mytí je bìhem procesu vìtšinou zneèištìna a ochlazena. Studená voda (15 C) se ohøívá na 6 C. V podnicích s nepravidelnou potøebou teplé vody a vysokým prùtokem je doplòkový topný systém vìtšinou vybaven jednou vyrovnávací nádrží vytápìnou z kotle. solární termické zaøízení èisticí voda 6 C akumulaèní nádrž vyrovnávací nádrž kotel voda o teplotì 15 C Obr. 8: Návrh systému s externím výmìníkem na studené vodì a s kotlem v sérii (zjednodušené schéma bìžného systému na pøípravu TUV). Co se týká schématu z obrázku è. 1, solární systém do nìj mùže být integrován celkem snadno pomocí pøídavného výmìníku. V pøípadì potøeby teplé vody je voda ohøívána, popø. pøedehøívána, solárním systémem pøedtím, než vstoupí do vyrovnávací nádrže. Obtok na výstupu ze solárního zásobníku chrání okruh studené vody pøed vysokou teplotou, která by se mohla vyskytovat v solárním zásobníku (teploty nad 9 C). Také výmìník v okruhu kolektorù mùžeme pøeklenout pomocí trojcestného ventilu. Obtokem cirkuluje nemrznoucí smìs do té doby, než je její teplota vyšší než teplota ve spodní èásti zásobníku. Jinak by se mohlo stát, že naakumulované teplo by se mohlo ztratit v kolektorovém okruhu a v zimì zamrznout výmìník. Nabíjení zásobníku se øídí pomocí jednoho nebo více trojcestných ventilù tak, aby rozvrstvení vody v zásobníku podle teploty bylo co nejlepší. Objem vody mùže být samozøejmì také vytvoøen i z kaskády nádrží. Také je možné nabíjení zásobníku pomocí stratifikaèní vestavby. V procesech, kde je vysoká potøeba vody na mytí, mùže být pøedehøev vody solárním systémem velice úèinný, protože vstupní teplota vody je nízká (minimální dostupná teplota viz oddíl 4.1). Výsledky simulace (nomogram) systému z obr. 8 a pøerušované potøeby teplé vody (viz obr. 6) lze nalézt na obr. 7 a je jim vìnován oddíl 4.7. 19

1 pracovní den 1 pracovní týden 1 rok potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 4 6 8 1 1 14 16 18 4 denní èas 1 3 4 5 6 7 den v týdnu 5 1 15 5 3 35 4 45 5 týden v roce Obr. 9: Schéma nepøerušované potøeby teplé vody na èištìní, jež je souèástí výroby ve velkém podniku. Schéma z obr. 9 platí pro velký podnik, kde se pracuje na tøi smìny, sedm dní v týdnu po celý rok. Mytí je zde souèástí samotného výrobního procesu a potøeba je velmi stálá. Koncepce systému z obr. 8 je také vhodná pro toto schéma, pouze zásobník teplé vody není v nìkterých pøípadech nutný. Temelín: celkové sluneèní záøení = 157 kwh/rok.m solární pokrytí [%] objem akum. nádrže 3 l/m Aa objem akum. nádrže 5 l/m Aa objem akum. nádrže 7 l/m Aa solární pokrytí solární zisky zisky solárního zaøízení [kwh/rok.m Aa ] èinitel mìrného využití [litry èisticí vody/den.m Aa] Obr.1: Nomogram návrhu solárního systému pro proces mytí ve velkém podniku (platný pro systém z obr. 8 a schéma z obr. 9). Stálá potøeba tepla v rozmezí teplot 15 C 6 C, jednovrstevnì zasklené ploché kolektory, stratifikaèní zásobník, úhel sklonu kolektorù 4. Ve srovnání s pøerušovanou potøebou (z obr. 7) ukazuje nomogram na obr. 1 výraznì vyšší zisky ze solární soustavy a vyšší solární pokrytí, jelikož nedochází k žádným ztrátám vyrobené energie bìhem letních mìsícù. Ovšem dùležité je nezvolit pøíliš vysoké solární pokrytí, abychom se vyvarovali nežádoucí stagnace v letních mìsících. (Doporuèená hodnota solárního pokrytí je 4 %.) Když se jedná o nepøerušovanou potøebu teplé vody, není tøeba instalovat akumulaèní nádrže vìtší než 5 l/m plochy kolektorù. Aa

SO-PRO 5. Pøedehøev doplòované napájecí vody pro výrobu technologické páry solární termické zaøízení napájecí voda pøedehøátá až do 9 C vratný kondenzát akumulaèní nádrž nádrž napájecí vody pára pro odplynìní parní kotel technologická pára (èást je jí pøímo spotøebována) demineralizovaná voda o teplotì C napájecí voda Obr. 11: Návrh systému s externím výmìníkem pøedehøívajícím doplòovanou vodu vtékající do napájecí nádrže (zjednodušené schéma parního cyklu). Podpora výroby technologické páry je pøijatelná pouze v pøípadì, že vìtšina páry je pøímo využívána ve výrobním procesu (parní potrubní sí tvoøí buï otevøený nebo èásteènì otevøený systém). Ekonomicky pøíznivý je pouze ohøev doplòované demineralizované napájecí vody. Ohøev vratného kondenzátu nebo pøímý ohøev napájecí vody je dražší v dùsledku jejich vysokých teplot. V (èásteènì) otevøených parních sítích se vìtšinou demineralizovaná èerstvá voda mísí s vratným kondenzátema pøedtím, než se vpustí do parního kotle, musí být odplynìna. Toto odplynìní se vìtšinou provede pøivedením tepla (napájecí voda je ohøátá nad 9 C) pomocí technologické páry z kotle. Demineralizovanou doplòovanou vodu je pøed jejím smíšením s kondenzátem a následným odplynìním smìsi dobré pøedehøát. Tímto zpùsobem je spotøebováno na odplynìní ménì páry a je možno díky solárnímu systému pokrýt významnou èást celkové potøeby tepla, a to pouze se zapojením jediného výmìníku tepla do stávajícího systému. Vhodný solární systém pro tuto situaci je podobný jako v pøípadì mytí/èištìní z obr. 8. Pro vybíjení solární nádrže je použit externí výmìník tepla, aby se nezvyšovalo riziko koroze nádrže. Výmìník nemá obtok na stranì solárního systému. Vyrovnávací nádrž není instalována, nebo prùtok pøídavné vody se nemìní. 1 pracovní den 1 pracovní týden 1 rok potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 4 6 8 1 1 14 16 18 4 denní èas 1 3 4 5 6 7 den v týdnu 5 1 15 5 3 35 4 45 5 týden v roce Obr. 1: Schéma spotøeby užitkové vody v èásteènì otevøeném parním procesu v prádelnì (dvì smìny, celoroènì, regulace hladiny napájecí nádrže vpouští konstantní množství vody v intervalech kolem 3 minut). 1

8 7 Temelín: celkové sluneèní záøení = 157 kwh/rok.m 8 7 solární pokrytí [%] 6 5 4 3 1 objem akum. nádrže 3 l/m Aa objem akum. nádrže 5 l/m Aa objem akum. nádrže 7 l/m Aa 5 5 75 1 15 15 175 èinitel mìrného využití [litry èisticí vody/den.m Aa] solární pokrytí solární zisky 6 5 4 3 1 zisky solárního zaøízení [kwh/rok.m Aa ] Obr. 13: Nomogram návrhu solárního systému pro pøedehøev vody, platný pro systém z obr. 11 a schéma z obr. 1 (jednoduše zasklené ploché kolektory, vrstvená akumulace, sklon kolektorù 35 ). Dosažitelné zisky solárního systému jsou o nìco menší než v systému v provozu mytí/èištìní, a to kvùli vyšší vstupní teplotì vody C (u mytí to bylo 15 C). Voda se totiž mírnì zahøívá pøi procesu demineralizace. Také solární pokrytí bude nižší, protože voda mùže být ohøátá až na 9 C (potøeba tepla se vždy vztahuje k nárùstu teploty, který mùže být zajištìn solárním systémem). Pøerušovaný prùtok zapøíèinìný regulací hladiny v napájecí nádrži by nemìl mít velký vliv na výkon solárního systému, jelikož solárnì ohøívaná voda je akumulována minimálnì na dobu jedné hodiny provozu. Obr. 13 jasnì ukazuje, že èinitel mìrného využití by nemìl být vyšší než 75 litrù pøedehøívané vody/den.m A a, jelikož zisky solární soustavy s pøimìøenou mìrnou akumulací nad touto hodnotou již nenarùstají a solární pokrytí výraznì klesne. Pokud se využije rekuperace, mùže v nìkterých pøípadech vystoupat nejnižší vstupní teplota demineralizované vody až na 6 C a úèinnost solárního systému klesá. To je tøeba provìøit v každém jednotlivém pøípadì. 5.3 Ohøev náplní prùmyslových van Pøi ohøevu náplní prùmyslových van jsou ze solární soustavy vìtšinou menší zisky než pøi ohøevu èerstvé vody, což souvisí s minimální poèáteèní teplotou vody pøed ohøevem. Nevýhodou je, když se náplò vany neobmìòuje, nebo jen zøídka.

SO-PRO solární termické zaøízení kotel surové souèástky (studené) konvektivní ztráty ošetøené souèástky (teplé) akumulaèní nádrž pøítok 9 C 65 C zpáteèka 7 C ohøívaè Obr. 14: Návrh systému solárního ohøevu náplní prùmyslové vany (možné pøímé využití solárního tepla, elektrické vytápìní využívané k regulaci teploty ve vanì). 1 pracovní den 1 pracovní týden 1 rok potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 4 6 8 1 1 14 16 18 4 denní èas 1 3 4 5 6 7 den v týdnu 5 1 15 5 3 35 4 45 5 týden v roce Obr. 15: Nepøerušovaná potøeba tepla v prùmyslových vanách v menší firmì (napø. elektrolyt musí být udržován na urèité teplotì). Schéma potøeby tepla na obr. 15 ukazuje, že firma pracuje na dvì smìny a nepracuje o víkendech. Potøeba tepla trvá i v noci a o víkendech ve výši % maxima, kdy nastávají tepelné ztráty vedením. Vany jsou vìtšinou zakryté, ale je v nich neustále udržována teplota 65 C. Pøi provozu dochází ke konvekèním ztrátám tepla a upravované díly také spotøebují urèité množství tepla. V tomto konkrétním pøípadì je náplò van stálá. Ve srovnání se dvìma pøedchozími systémy na ohøev vody vyplývají pro solární soustavy zøetelné rozdíly. Jelikož množství energie produkované solární soustavou bývá obvykle výraznì nižší než je potøeba tepla (výmìník tepla je dimenzován na vstupní teplotu 9 C), je zde možnost obejít zásobník, aby se zabránilo vlivu teploty akumulace na teplotu kapaliny v systému. Pro celý systém je to dùležité, jelikož jeho minimální teplota je 7 C. Pøi vypouštìní vany mùže být zpáteèka z láznì zavedena do zásobníku pomocí trojcestného ventilu, aby se dosáhlo správného teplotního rozvrstvení nádrže, pokud je u dna nádrže teplota nižší než 7 C. Kotel je pøipojen do série. Podle typu kotle je vhodné zøídit jeho obtok, pro pøípad, kdy je mimo provoz. 3

1 9 Temelín: celkové sluneèní záøení = 157 kwh/rok.m objem akum. nádrže 3 l/m Aa objem akum. nádrže 5 l/m Aa 5 solární pokrytí [%] 8 7 6 5 4 3 1 objem akum. nádrže 7 l/m Aa solární pokrytí solární zisky 4 3 1 zisky solárního zaøízení [kwh/rok.m Aa ] 1 3 4 5 mìrná potøeba tepla pro náplò [kwh/den.m Aa] Obr. 16: Temelín: Diagram solárního systému pro ohøev prùmyslových van, platný pro systém z obr. 14 a schéma z obr. 15 ( vakuový trubicový kolektor, vrstvená akumulace, sklon kolektorù 35, teplota výmìníku na vstupu je 9 C, na výstupu 7 C, teplota láznì 65 C ). 1 9 Temelín: celkové sluneèní záøení = 157 kwh/rok.m 5 solární pokrytí [%] 8 7 6 5 4 3 1 objem akum. nádrže 5 l/m objem akum. nádrže 7 l/m objem akum. nádrže 5 l/m objem akum. nádrže 7 l/m Aa, Aa, Aa, Aa, plochý kolektor plochý kolektor vakuový trubicový kolektor vakuový trubicový kolektor 1 3 4 5 solární pokrytí solární zisky 4 3 1 zisky solárního zaøízení [kwh/rok.m Aa ] mìrná potøeba tepla pro náplò [kwh/den.m Aa] Obr. 17: Temelín: Diagram solárního systému pro ohøev prùmyslových van, platný pro systém z obr. 14 a schéma z obr. 15 ( srovnání rùzných typù kolektorù, vrstvená akumulace, sklon kolektorù 35, teplota výmìníku na vstupu je 7 C, na výstupu 5 C, teplota láznì je 45 C). 4

SO-PRO Ze simulací v nomogramu na obr. 16 jasnì vyplývá, že velmi vysoká teplota (7 C min. dostupná teplota) ve vratném potrubí výraznì snižuje množství energie, kterou mùže do procesu dodat solární termický systém. Toto samozøejmì není obecný závìr pro oblast ohøívání van èi nádob, dost záleží na tom, jak èasto jsou vany vypouštìny a napouštìny èi ochlazovány (v tomto konkrétním pøípadì nikdy). V simulacích na obr. 16 byly použity vakuové trubicové kolektory. Teploty jsou v tomto pøípadì pøíliš vysoké pro použití standardních plochých kolektorù. Když v lázni snížíme teplotu z 65 C na 45 C, mùžeme tím zisky ze solárního systému za použití vakuových trubicových kolektorù témìø zdvojnásobit (viz obr. 17). Na obr. 17 jsou také srovnány solární zisky z plochých a vakuových trubicových kolektorù (se stejnou plochou apertury) pro min. dosažitelnou teplotu 5 C. Zde budou hlavními faktory volby typ kolektorù, jejich cena a velikost použitelné plochy na støeše. Obr. 18 ukazuje pøesnì to samé srovnání, pouze jde o podnik v Madridu. Solární pokrytí je bezmála dvojnásobné. Kvùli vyššímu záøení a vyšším teplotám vzduchu je rozdíl mezi výkonem plochých a vakuových trubicových kolektorù mnohem menší. To znamená, že vzhledem k nižší cenì by pravdìpodobnì byly v Madridu použity ploché kolektory. Ze srovnání obr. 17 a 18 je vidìt, že výbìr typu kolektoru závisí více na minimální dostupné teplotì než na teplotì procesu (na èištìní a mytí jako na obr. 8 by samozøejmì byly levnìjším øešením ploché kolektory). Srovnání obrázkù 17 a 18 také ukazuje, že výbìr ovlivòuje celková sluneèní radiace a teplota vzduchu. solární pokrytí [%] 1 9 8 7 6 5 4 3 objem akum. nádrže 5 l/m objem akum. nádrže 7 l/m objem akum. nádrže 5 l/m Aa, Aa, Aa, plochý kolektor plochý kolektor vakuový trubicový kolektor Madrid: celkové sluneèní záøení = 1615 kwh/rok.m solární pokrytí solární zisky 8 7 6 5 4 3 1 zisky solárního zaøízení [kwh/rok.m Aa ] objem akum. nádrže 7 l/m Aa, vakuový trubicový kolektor 1 3 4 5 mìrná potøeba tepla pro náplò [kwh/den.m ] Aa Obr. 18: Madrid: Diagram solárního systému pro ohøev prùmyslových van platný pro systém z obr. 14 a schéma z obr. 15 ( srovnání rùzných typù kolektorù, vrstvená akumulace, sklon kolektorù 35, teplota výmìníku na vstupu je 7 C, na výstupu 5 C, teplota láznì je 45 C). 5

5.4 Konvekèní sušení teplým vzduchem soustava vzduchových kolektorù technologický vzduch o 4 C kotel dohøívací výmìník vzduch/voda okolní vzduch Obr. 19: Pøíklad návrhu systému sušení v otevøeném okruhu. Otevøený systém vzduchových kolektorù je sériovì dohøíván kotlem (solární vìtrání vlevo, bìžné vìtrání vpravo). Zde se jedná o sušení s otevøeným okruhem. V tomto pøíkladu není využita žádná rekuperace z odpadního vlhkého vzduchu. Vzduch je konvenènì ohøíván na 4 C pomocí dohøívacího výmìníku vzduch-voda. Solární vzduchový kolektor je naistalován za úèelem pøedehøátí vzduchu. Vzhledem k plynulému prùbìhu potøeby tepla (viz obr. ) není tøeba instalovat akumulaci. Kolektorový ventilátor je na horké stranì vzduchových kolektorù, aby nedocházelo ke ztrátám teplého vzduchu pøetlakem netìsnostmi kolektoru. Pøi srovnání se sluneèními kolektory, které jako tepelný nosiè používají kapalinu (voda, glykol), klesá úèinnost vzduchových kolektorù, když se zmenšuje hmotnostní prùtok (napø. kolektor z pøíkladu má 7 % úèinnost pøi hmotnostním prùtoku 1 kg vzduch/h.m Aa a jenom 45 % úèinnost pøi hmotnostním prùtoku kg vzduch/h.m Aa, pøièemž vstupní teplota kolektoru se rovná teplotì okolního vzduchu). Na druhou stranu, u stejného kolektoru je hydraulický odpor 5-6x vìtší pøi vyšším hmotnostním prùtoku než pøi nižším. 1 pracovní den 1 pracovní týden 1 rok potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 potøeba tepla [ % ] 1 8 6 4 4 6 8 1 1 14 16 18 4 denní èas 1 3 4 5 6 7 den v týdnu 5 1 15 5 3 35 4 45 5 týden v roce Obr. : Prùbìh dodávky u konvekèního sušení (tato aplikace pøispívá k rychlé návratnosti vzduchových kolektorù, jelikož teplý vzduch je potøeba vždy, když slunce vysvitne). 6

SO-PRO Vždy, když vznikne potøeba ohøátého vzduchu k sušení, spustí se ventilátor pøed výmìníkem. Pokud nesvítí slunce, kolektorový ventilátor nepracuje a okolní vzduch je ohøíván pøímo dohøívacím výmìníkem. Když vystoupá teplota absorbéru vzduchového kolektoru (nebo intenzita solárního záøení, záleží na provedení regulace) nad urèitou hodnotu, zaène pracovat ventilátor za kolektorem a vytvoøí maximální hmotnostní prùtok 1 kg vzduch/m Aa. U takového prùtoku se teplota v solárním systému pøíliš nezvýší, ale úèinnost je velká. Zbylý teplotní rozdíl do 4 C, který je ovlivòován množstvím sluneèního záøení, je doplnìn dohøívacím výmìníkem. Když teplota v prostoru za ventilátorem u výmìníku vystoupá nad 4 C, je regulaèním zaøízením snížen výkon ventilátoru u kolektoru. Tím se sníží prùtok solárním polem a k ohøátému vzduchu sluncem se pøidá více okolního chladnìjšího vzduchu. Tímto zpùsobem se udržuje teplota 4 C. V tomto pøípadì se sníží i spotøeba elektøiny kolektorového ventilátoru v dùsledku snížení tlakové ztráty kolektoru. Pokud máme pro urèité sušicí procesy skuteènì pøesnì nadimenzovaný a dobøe regulovaný systém vzduchových kolektorù, je možné dohøívací výmìník vzduch/voda bìhem velmi sluneèných dnù vyøadit, èímž se dále sníží tlaková ztráta systému. solární pokrytí [%] 4 35 3 5 15 1 Temelín: celkové sluneèní záøení = 157 kwh/rok.m solární pokrytí solární zisky 8 7 6 5 4 3 1 zisky solárního zaøízení [kwh/rok.m Aa ] 5 5 1 15 5 3 mìrná potøeba tepla na sušení [kwh/den.m Aa] Obr. 1: Nomogram solárního systému pro konvekèní sušení, platný pro systém z obr. 19 a schématu (bez akumulace, objem hmotnostního prùtoku od kg/h.m do 1 kg/h.m ). Aa Aa K pochopení køivek v obr. 1 je tøeba mít opìt na pamìti, že celková potøeba energie (a požadovaný hmotnostní prùtok) je stálá. V simulacích se mìnila pouze velikost kolektorového pole (tj. mìrná potøeba energie). Pro vysoké specifické potøeby energie (malé kolektorové pole) mohou vìtšinou kolektory bìžet pøi velkém hmotnostním prùtoku (pøi vysoké úèinnosti), jelikož výstupní teplota 4 C není vìtšinou dosažena (kvùli snadnìjší instalaci je vìtšinou jedna øada vzduchových kolektorù zapojena sériovì). Na druhou stranu je solární pokrytí velmi nízké a dohøívaè musí být v èinnosti. V pøípadì velkých kolektorových polí jsou mìrné zisky systému nižší, protože hmotnostní prùtok v kolektorech se musí snížit a ve sluneèných dnech se tím snižuje úèinnost kolektorového pole. Pro tento systém a schéma dodávky se dá uvažovat ve støední Evropì se solárním pokrytím v hodnotách 15 %, v jižní Evropì díky vyššímu záøení a vyšším teplotám to bude 5 35 %. 7