Solární systémy s akumulací tepla

V článku jsou zpracovány výsledky simulační analýzy solárního systému s dlouhodobou akumulací tepla. Analýza je provedena na několika variantách systému s teplovodním zásobníkem, vždy při stejných okrajových podmínkách. Hodnoticím faktorem je dosažené solární pokrytí, případně hodnoty topného faktoru pro systémy s tepelným čerpadlem.

Stručný obsah článku, který vyšel v časopise Energie 21 č. 2/2015:

Solární systémy s dlouhodobou akumulací tepla mohou významně snižovat energetickou závislost objektů na vnější dodané energii. Tyto systémy jsou schopny zachytit přebytky solární energie z letního období a účelně je využít v období zimním.

Akumulace tepla může být řešena mnoha způsoby. Energie může být ukládána do teplovodních zásobníků, případně do několika typů zásobníků zemních.

V současné době je u teplovodních zásobníků možné u realizovaných systémů rozlišit dva základní způsoby zapojení – zapojení s tepelným čerpadlem (TČ) a bez tepelného čerpadla. Při použití TČ, které odebírá tepelnou energii ze zásobníku, je možné vlastní zásobníky vychladit až k teplotám pod 10 °C. V případě, že TČ použito není, lze dosáhnout teplot pouze okolo 30 °C. Při použití TČ je proto možné navrhnout menší objemy zásobníků, případně dosáhnout vyšší účinnosti systému.

Pro potřeby této analýzy byl navržen menší bytový objekt, který má čtyři nadzemní podlaží. Obvodové konstrukce objektu byly uvažovány v nízkoenergetickém standardu. V objektu se nachází celkem 16 bytů (58 obyvatel a asi 1700 m2 vytápěné plochy). Kolektorové pole je integrované ve střešním plášti (max. plocha absorbéru 274 m2). Vlastní objekt je rozdělen do dvou sekcí, které jsou vzájemně odděleny teplovodním zásobníkem. Využitelný objem zásobníku je 450 m2 (průměr 7,4 m, výška 10,6 m). Vytápění objektu je teplovodní podlahové, větrání je nucené s rekuperací.

Spotřeba tepla na vytápění byla vypočtena v programu Trnsys. Byla použita klimatická data pro Prahu (TMY). Trvalé vnitřní zisky objektu byly uvažovány o velikosti 3 W/m2. Průměrná vnitřní teplota v objektu byla uvažována 20 °C. Přiváděné množství čerstvého vzduchu na osobu bylo 25 m3/hod., účinnost rekuperace 70 %. Takto stanovená roční potřeba tepla na vytápění se pohybovala okolo 31,4 MWh.

Spotřeba teplé vody (TV) byla uvažována hodnotou 45 l/osobu (v červnu až srpnu snížena na 40 l/osobu). Teplota studené vody byla 10 °C (červen až srpen 15 °C). Výstupní teplota TV byla omezena na 55 °C. Tepelné ztráty rozvodů byly modelovány tak, aby tvořily 25 % z potřeby tepla na ohřev vody. Celková roční potřeba tepla na ohřev TV dosáhla asi 52 MWh.

Celkem bylo provedeno hodnocení sedmi variant zapojení teplovodního zásobníku do systému. Pro potřeby tohoto článku byly k podrobnému popisu vybrány tři varianty, které dosahují vysokých hodnot solárního pokrytí, a zároveň není jejich systém zapojení příliš komplikovaný.   

Ve všech variantách bylo počítáno s totožnými, výše popsanými okrajovými podmínkami (potřeby tepla, velikost kolektorového pole, objem zásobníku). U hodnocených variant byla sledována výsledná solární pokrytí (procentuální podíl sluneční energie na celkové spotřebě tepla), u systémů s TČ byl hodnocen také samotný topný faktor TČ.

Nejnižšího solárního pokrytí 78 % bylo dosaženo pro variantu 1. U varianty 2 vzrostlo díky možnosti přednostního nabíjení horní třetiny zásobníku solární pokrytí na 79,1 %.

U varianty 3 (s TČ) bylo dosaženo nejvyššího solárního pokrytí – 91,8 %. Vzhledem k relativně vysokým teplotám v zásobníku zde pracuje TČ s vysokým topným faktorem. V případě vytápění je dosaženo hodnoty 6,3 a pro přípravu TV 3,4. 

Výzkumný tým dospěl k závěru, že volba zapojení systému dlouhodobé akumulace může významně ovlivnit jeho celkovou energetickou účinnost. U představených variant byl zjištěn velký rozdíl v dosaženém solárním pokrytí (min. 78 %, max. 91,8 %). Dosažení solárního pokrytí 100 % není u hodnoceného objektu reálné. Kolektorové pole i zásobník tepla by musel být výrazně předimenzován (asi 500 m2 kolektorů a asi 1000 m3 objemu zásobníku).                    

Z hlediska dosahovaného solárního pokrytí se zdají být výhodnější systémy kombinované s TČ. Využitelná tepelná kapacita zásobníku je při jejich použití vyšší. Vyšší mohou být v důsledku nižších teplot v zásobníku také zisky kolektorů.                                         

Jako celkově přínosná se jeví možnost přednostního nabíjení horní části akumulačního zásobníku v jarním období. Lze tak v zásobníku dosáhnout co nejdříve teplot, které umožňují odstavení doplňkového zdroje tepla (elektrokotel, TČ).                                          

U systémů s TČ lze dosáhnout velmi vysokých topných faktorů (pro vytápění až 6,4 a pro přípravu TV až 3,4). Je však třeba připomenout, že celková účinnost systému nezávisí pouze na jeho systému zapojení, ale také na ostatních parametrech (poměr velikostí zásobníku a kolektorového pole, velikost pohotovostních zásobníků, skutečná hodnota tepelné ztráty akumulačního zásobníku). Zejména tepelné ztráty akumulačního zásobníku lze v projekční fázi stanovit obtížně. Jak ukazují výsledky z realizovaných systémů v ČR i zahraničí, mohou být skutečné tepelné ztráty zásobníku výrazně vyšší a v důsledku tak mohou snížit celkovou účinnost systému.*

Martin Kny, Miroslav Urban, martin.kny@uceeb.cz, miroslav.urban@fsv.cvut.cz

Obrázky:

Pohled na navržený objekt z jihu, kolektorové pole (274 m2) zabírá celou střechu

Řez akumulačním zásobníkem (450 m3) umístěným mezi sekcemi objektu

Varianty 1 až 3 (zjednodušená schémata zapojení)

 

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *