Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad TEORETICKÁ ANALÝZA VLIVU KONSTRUKČNÍCH PARAMETRŮ PLOCHÉHO SOLÁRNÍHO KOLEKTORU NA JEHO VÝKONNOST Viacheslav Shemelin 1), Tomáš Matuška 2) 1) Energetické systémy budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad 2) Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT, Praha 6 ANOTACE Příspěvek představuje analýzu vlivu hlavních konstrukčních parametrů (šířka vzduchové mezery mezi absorbérem a sklem, emisivita absorbéru a tloušťka tepelné izolace) na výkonnost plochého solárního kolektoru. Jako referenční varianta byl vybrán kvalitní plochý solární kolektor. Cílem analýzy je ukázat, do jaké míry je možné upravit tyto parametry směrem k levnějšímu řešení kolektoru bez výrazného snížení energetické kvality solárního kolektoru v provozu. SUMMARY The paper presents an analysis of main design parameters influence (width of the air gap between the absorber and the covering glazing, emissivity of the absorber and insulation thickness) on the thermal performance of solar collector. High-quality flat-plate solar collector was chosen as a reference variant. The aim of the analysis is to show, to what extent it is possible to modify these parameters towards cheaper collectors without significant reduction in energy quality of solar collector in operation. ÚVOD V oboru vývoje plochých solárních kolektorů lze sledovat trend zvyšování jejich energetické kvality různou konstrukcí a použitím nových materiálů. Zlepšování účinnosti plochého kolektoru vede vždy v zásadě dvěma cestami: zlepšováním procesu pohlcení slunečního záření a odvodu tepla z absorbéru a snižováním tepelné ztráty celého kolektoru. Zvyšování optické účinnosti je možné zajistit vyšší propustností zasklení kolektoru například aplikací skel s antireflexními povlaky, vyšší pohltivost absorbéru například pohltivějším povlakem případně lepším odvodem tepla z povrchu absorbéru například použitím plně smáčivého registru namísto konstrukce trubka-lamela. Snížení tepelné ztráty kolektoru se dosahuje především nízkou emisivitou povrchu absorbéru a tloušťkou tepelné izolace (zadní strany a boků). Méně se používají nízkoemisivní povlaky na zasklení kolektoru, neboť s sebou přinášejí i snížení propustnosti slunečního záření. Tepelnou ztrátu přední části kolektoru je možné do jisté ovlivnit i šířkou vzduchové mezery mezi absorbérem a zasklením, případně její výplní jiným méně vodivým plynem nebo dokonce jeho absencí (ploché vakuové kolektory). Samozřejmě, každé zlepšování směrem k vyšší efektivitě kolektoru s sebou nese náklady. Použití povlaků s vyšší selektivitou vyráběné novými technologiemi je dražší než použití starých elektrochemickou cestou nanášených povlaků. Také antireflexní povlaky zatím znamenají významné zdražení ceny kolektoru. Zvýšení tloušťky tepelné izolace se úměrně nárůstu množství materiálu promítá do ceny kolektoru. I zvolená šířka vzduchové mezery mezi absorbérem a krycím sklem má vliv na cenu kolektoru, neboť ovlivňuje stavební výšku kolektoru a tedy množství materiálu použitého na rámovou konstrukci. 265
Na druhé straně solární kolektory prodávané na trhu v dnešní době jsou drahé a nezlevňují. Základní otázka zde představené analýzy tedy zní: co je možné na plochém solárním kolektoru zjednodušit či obětovat, aby na jedné straně mohlo být dosaženo výrazného zlevnění, aniž by energetické úspory dané provozem solárních kolektorů vzaly za své? Jinými slovy, jak optimalizovat konstrukci solárních kolektorů pro dosažení nižší ceny, avšak při zachování obdobné energetické kvality, spolehlivosti a životnosti? Tyto otázky si samozřejmě výrobci solárních kolektorů kladou. Jaká tloušťka izolace ještě dává smysl a jaká už ne? Jak daleko od sebe sklo a absorbér mají být? Má smysl se hnát za extrémně nízkou emisivitou absorbéru, nebo se tato vlastnost během běžného provozu vůbec nevyužije? Ano, taková energetickoekonomická optimalizace konstrukce musí vždy vycházet z konkrétních podmínek a z plánovaného využití solárního kolektoru. Následující analýza je provedena nejprve obecně a potom detailněji pro oblast nejčastější aplikace: solární přípravy teplé vody. ANALÝZA Referenční variantou kolektoru (RK) použitou v analýze je kvalitní plochý kolektor se solárním krycím sklem a selektivním absorbérem. Detailní parametry solárního kolektoru jsou uvedeny v tab. 1. V rámci analýzy jsou pro jednotlivé varianty jako proměnné uvažovány tři parametry. Tloušťka tepelné izolace rámu je uvažována v rozsahu 10 až 50 mm s krokem mezi variantami 10 mm. Tloušťka vzduchové mezery je uvažována 10, 20 a 30 mm. Posledním proměnným parametrem je emisivita absorbéru ve dvou variantách: moderní napařovaný PVD povlak s emisivitou 0.05 nebo starší a levnější elektrochemický povlak s emisivitou 0.12. U obou je uvažována shodně hodnota pohltivosti slunečního záření 0.95. Tab. 1 Parametry solárního kolektoru Parametr Hodnota Šířka 1175 mm Výška 2017 mm Hloubka 87 mm Připojovací potrubí Cu 22 x 1 mm Materiál krytu Solární sklo Tloušťka krytu 4 mm Emisivita zaskleni 0.84 Plocha apertury 2.25 m 2 Šířka vzduchové mezery 30 mm Plocha absorbéru 2.185 m 2 Materiál absorbéru hliník Tloušťka absorbéru 0.4 mm Pohltivost absorbéru 0.95 Emisivita absorbéru 0.05 Počet trubek 11 Rozteč mezi trubkami 101 mm Průměr trubky 6 mm Tloušťka izolace 50 mm Izolační materiál minerální vlna 266
Pro analýzy kolektorů byly využity dva základní přístupy, které hodnotí celoroční produkci tepla z kolektoru simulačním výpočtem. Pro obecnou analýzu je použit přístup hodnocení výpočtem výkonnosti solárního kolektoru nezapojeného do solární soustavy, avšak s definovanou a celoročně stálou provozní teplotou. Druhým způsobem je porovnání ročního měrného zisku solárního kolektoru zapojeného do definované solární soustavy pro přípravu teplé vody. Klimatické údaje použité v obou simulačních analýzách byly převzaty z typického meteorologického roku TMY (Meteonorm) pro Prahu. Klimatické údaje TMY vykazují relativně konzervativní úhrn dopadající sluneční energie na vodorovnou rovinu 998 kwh/m 2.rok a roční průměrná teplota venkovního vzduchu je 8,9 C. Solární kolektory uvažované ve všech uvažovaných variantách mají sklon 45 a orientaci k jihu. VÝSLEDKY ANALÝZY VÝKONNOSTI Pomocí simulačního prostředí TRNSYS byla modelována výkonnost srovnávaných variant solárního kolektoru při provozní teplotě 25, 50 a 75 C s využitím detailního modelu plochého solárního kolektoru, který umožňuje zohlednit změny konstrukčních parametrů [1]. Výkonnost je zde definována jako čistý roční tepelný zisk kolektoru při celoročně konstantní teplotě kapaliny [2]. Výsledky simulace jsou uvedeny v tab. 2 a v grafech na obr. 1 až 3 pro jednotlivé provozní teploty. Tab. 2 Porovnání tepelných zisků srovnávaných variant solárního kolektoru (vztaženo k hrubé ploše kolektoru) v závislosti na tloušťce izolace, tloušťce vzduchové mezery a emisivitě absorbéru. Tepelný zisk 25 C 50 C 75 C [ kwh/m 2.rok ] tloušťka izolace [mm] 10 356 152 51 20 413 213 97 30 438 242 121 40 451 258 135 50 (RK) 460 269 145 tloušťka vzduchové mezery [mm] 10 443 248 126 20 454 262 138 30 (RK) 460 269 145 emisivita absorbéru [-] 0.05 (RK) 460 269 145 0.12 444 249 126 Na obr. 1 je porovnán celoroční tepelný zisk při různých pracovních teplotách získaný pro 5 solárních kolektorů se stejnými geometrickými a fyzikálními vlastnostmi odvozenými z referenčního kolektoru (viz tab. 1). Varianty kolektorů se liší pouze tloušťkou izolace: 10 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm a 50 mm. Je zřejmé, že kolektory s vyšší tloušťkou tepelné izolace mají vyšší tepelné zisky pro všechny provozní teploty. Z výsledků simulace je patrné, že optimální hodnota tloušťky izolace leží mezi 30 a 40 mm. Další zvyšování tloušťky izolace až do 50 mm vede pouze k nepatrnému zvyšování zisku (při nízkých pracovních teplotách je rozdíl v ziscích 267
mezi 30 a 50 mm okolo 5 %, při středních okolo 10 %). Snižování tloušťky tepelné izolace pod 20 mm vede k významnému snižování tepelných zisků během celého roku. Obr. 1 Porovnání tepelných zisků srovnávaných variant solárního kolektoru v závislosti na tloušťce izolace. Na obr. 2 je porovnán celoroční tepelný zisk při různých pracovních teplotách získaný pro 3 solární kolektory se stejnými geometrickými a fyzikálními vlastnostmi (tab. 1). Rozdíl ve výsledcích v uvažované oblasti tloušťky vzduchové mezery je pouze v řádu procent. Obr. 2 Porovnání tepelných zisků srovnávaných variant solárního kolektoru v závislosti na tloušťce vzduchové mezery. Na obr. 3 je porovnán celoroční tepelný zisk při různých pracovních teplotách získaný pro 2 solární kolektory se stejnými geometrickými a fyzikálními vlastnostmi jako referenční kolektor (viz tab. 1), varianty se liší pouze druhem selektivního povlaku absorbéru galvanickým způsobem (black-chrome, Sunstrip) s pohltivostí α = 0.95 a emisivitou ε = 0.12 a napařováním 268
(TiNOx, mirotherm, sunselect, eta-plus, apod.) s pohltivostí α = 0.95 a emisivitou ε = 0.05. Z výsledků simulace je patrné, že rozdíl ve výsledcích nepřesahuje 7 % při středních pracovních teplotách okolo 50 C. Obr. 3 Porovnání tepelných zisků srovnávaných variant solárního kolektoru v závislosti na emisivitě absorbéru. VÝSLEDKY ANALÝZY PRO SYSTÉM OHŘEVU VODY Pro zohlednění vlivu konstrukčních změn na celoroční tepelný zisk solárního kolektoru byla uvažována solární soustava pro přípravu teplé vody. Definice parametrů solární soustavy a okrajových podmínek byla převzata z pravidel pro výpočet kritéria roční produkce energie podle směrnice RAL-UZ 73 (Modrý Anděl, Německo) [3]. Výsledky simulace jsou uvedeny v tab. 3. Tab. 3 Výsledky simulace celoročního chovaní solární soustavy podle metodiky Modrý anděl. Varianty Měrný tepelný zisk kolektoru [ kwh/m 2.rok ] tloušťka izolace [mm] 10 505 20 541 30 554 40 562 50 (RK) 566 tloušťka vzduchové mezery [mm] 10 557 20 564 30 (RK) 566 emisivita absorbéru [-] 0.05 (RK) 566 0.12 557 269
Pro výpočet srovnávaných variant se volí vždy taková plocha solárního, aby solární pokrytí potřeby tepla bylo 40 % (v rozmezí 39.5 až 40.5 %). Z výsledků simulace provozu solárního kolektoru v systému solárního ohřevu s nízkým pokrytím (bez stagnačních stavů) je patrné, že oproti předchozí analýze výkonnosti při konstantní teplotě se rozdíly mezi uvažovanými variantami smazávají. Největší rozdíly mezi variantami jsou stále patrné u tepelné izolace, nicméně rozdíl mezi variantou 30 a 50 mm je již pouze 2 %. Vzájemné porovnání variant šířky vzduchové mezery a emisivity absorbéru se pohybuje v rozdílech okolo 1 až 2 % procent. Simulací provozu varianty kolektoru, který by agregoval variantní změny z referenčního kolektoru (tl. izolace 50 mm, tl. vzduchové mezery 30 mm, emisivita absorbéru 0.05) zhoršením parametrů na levnější variantu (tl. izolace 30 mm, tl. vzduchové mezery 20 mm, emisivita absorbéru 0.12), potom snížení měrného zisku oproti referenčnímu kolektoru bude pouze 4 %. Navíc, levnější varianta i tak dosáhne měrného tepelného zisku ve výši 543 kwh/m 2.rok a splňuje podmínku pro získání značky Modrý Anděl. ZÁVĚR Pomocí simulačního prostředí TRNSYS byly teoreticky porovnány různé konfigurace plochého solárního kolektoru. Pro porovnání byly využity dva odlišné přístupy. Výsledky obou metod pro uvažované varianty poukázaly na možnost navrhování solárního kolektoru s nižšími investičními náklady, avšak s prakticky stejnou energetickou kvalitou. LITERATURA [1] SHEMELIN, V., MATUŠKA, T. TRNSYS type 205 Detailed Model of Flat Plate Solar Collector, UCEEB CVUT 2015. [2] MATUŠKA T. Hodnocení výkonnosti solárních kolektorů, Tzb-info, dostupné na http://oze.tzb-info.cz/solarni-kolektory/7091-hodnoceni-vykonnosti-solarnichkolektoru. [3] RAL-UZ 73 Basic Criteria for Award of the Environmental Label "Der Blaue Engel", Solar Collectors, dostupné na http://www.blauer-engel.de. PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 Univerzitní centrum energeticky efektivních budov. 270