ŠPECIFIKÁ NAVRHOVANIA SOLÁRNYCH SYSTÉMOV V BYTOVÝCH DOMOCH

V praxi sa niekedy stretávame s nerealistickými očakávaniami investorov alebo projektantov, čo sa týka úspor energie na ohrev TÚV pomocou solárnych termických systémov. Cieľom nasledujúceho textu je objasniť niektoré technické a ekonomické aspekty využívania väčších systémov a naznačiť reálne dosiahnuteľné úspory energie.

 

1. Návrh veľkosti solárneho systému
v bytovom dome vzhľadom na spotrebu TÚV

Na určenie počtu kolektorov a objemu solárneho bojlera potrebujeme poznať predovšetkým dennú spotrebu TÚV – napr. 4000 litrov (100 obyvateľov, 40 l na 1 obyvateľa za 1 deň). Pre zjednodušenie budeme brať do úvahy len ohrev studenej vody (v priemere 10 °C) na požadovanú teplotu (50 °C) v solárnom bojleri a zanedbáme energiu, potrebnú na vykrytie strát tepla v rozvodoch TÚV a v cirkulačnom potrubí (tieto straty, ktoré môžu v niektorých bytových domoch dosahovať až 60 % celkovej spotreby energie na TÚV, je možné následne zohľadniť).

 

sol-1.jpg 

Obr. 1 Principiálna schéma zapojenia solárneho systému na TÚV v bytovom dome (T*Sol)

 

 

Pri inštalácii 20 kolektorov TS300 (absorbčná plocha kolektora je 1,78 m2) a solárneho bojlera s objemom 2000 litrov je dosiahnutá úspora energie za rok asi 37 % oproti stavu pred inštaláciou kolektorov.

 

Tab. 1

sol-tab1.jpg 

 

Na porovnanie budeme postupne zvyšovať počet kolektorov a objem solárneho bojlera a pomocou programu T*SOL Expert 4.5 budeme sledovať, ako sa mení energetická úspora:

 

 sol-2.jpg

Obr. 2  Grafy ročnej úspory z energie na ohrev TÚV (T*Sol)

 

Ako vidíme, zvyšovaním počtu kolektorov nám nestúpa priamo úmerne aj množstvo získanej slnečnej energie, resp. úspora „platenej“ energie z teplovodného rozvodu, plynu, tuhého paliva, elektriny a pod. Dôvodom je to, že pre fungovanie solárnych termických systémov existujú (okrem iného) tieto dva limitujúce faktory:

  • Ohraničený maximálny denný energetický zisk zo solárneho systému kvôli ohraničenej dennej spotrebe TÚV
  • Obmedzenie účinnosti slnečného termického kolektora vyplývajúce z fyzikálneho princípu jeho fungovania

 

2. Ohraničený maximálny denný energetický zisk 
zo solárneho systému kvôli ohraničenej dennej spotrebe TÚV

Zvýšením počtu kolektorov z 20 na 40, 60 alebo 80 sme síce schopní získať zo slnka viac energie, ale otázkou je, či dokážeme túto energiu v daný alebo nasledujúci deň využiť, prípadne či ju dokážeme akumulovať na neskoršie použitie. Pri nezmenenej dennej spotrebe TÚV (4000 l/deň) a pri 60, resp. 80 kusoch kolektorov nastane v najteplejších (letných) obdobiach roka situácia, keď kolektory od rána do napr. 14-tej hodiny popoludní bez problémov ohrejú celú dennú spotrebu TÚV v bojleri na požadovanú teplotu a zvyšok času do západu slnka budú jednoducho nevyužité. Takýto stav slabého využitia kolektorov, ktorý je spôsobený tým, že sme inštalovali relatívne veľké množstvo kolektorov vzhľadom na dennú spotrebu vody, nám samozrejme zníži ročný energetický zisk z 1 m2 inštalovanej kolektorovej plochy. Akumulácia tepla na 2 a viac dní, alebo dokonca na dlhšie obdobie, sa v súčasnosti v bežnej praxi pri väčších solárnych termických systémoch nepoužíva (fyzikálne, technické, priestorové, investičné a iné obmedzenia). Maximálny „rozumný“ počet kolektorov je taký, ktorý pri danej spotrebe TÚV nemá veľké letné prebytky nevyužitého tepla. Letné prehrievanie nespôsobuje pri kvalitných kolektoroch a ďalších komponentoch žiadne technické problémy a má len malý vplyv na životnosť teplonosnej kvapaliny v solárnom okruhu, výrazne však vplýva na merný ročný energetický zisk inštalovaných kolektorov (kWh z 1 m2), a teda aj na návratnosť.

 

 sol-3.jpg

Obr. 3  Maximálne teploty kolektorov pre systém s 20 kolektormi (T*Sol)

 

 

sol-4.jpg

Obr. 4  Maximálne teploty kolektorov pre systém s 80 kolektormi (T*Sol)

 

 

3. Obmedzenie účinnosti slnečného termického kolektora
vyplývajúce z fyzikálneho princípu jeho fungovania

V predchádzajúcom texte sme varianty so 60 a 80 kolektormi vylúčili kvôli nevyužitým letným prebytkom tepla. To pri variantoch s nižším počtom kolektorov nenastáva, avšak ako sme videli vyššie v texte, zdvojnásobenie počtu kolektorov z 20 na 40 neprinieslo dvojnásobnú úsporu energie. Dôvodom je to, že čím je na výstupe z kolektora nižšia teplota kvapaliny, tým účinnejšie kolektor premieňa dopadnuté slnečné žiarenie na využiteľné teplo. Teda lepšie chladený kolektor „vyprodukuje“ pri rovnakých podmienkach viac energie. Je to spôsobené tým, že straty tepla z kolektora do okolia sa zväčšujú so stúpajúcou požadovanou teplotou na výstupe kolektora – chladnejší kolektor premení väčšiu časť zachyteného slnečného žiarenia na využiteľné teplo vo forme zohriatej teplonosnej kvapaliny ako teplejší kolektor.

Dvadsať inštalovaných kolektorov by bolo vďaka 4000 litrovej dennej spotrebe obyvateľov schladených (cez výmenník a bojler) natoľko, že aj počas najhorúcejších slnečných dní by solárny systém zabezpečoval len pred-ohrev studenej vody na teplotu max. 30 °C. Do-ohrev na požadovaných 50 °C by musel celoročne zabezpečiť iný zdroj tepla (napr. kotol). Pri tomto režime „celoročného pred-ohrevu“ (pod-dimenzovaný počet kolektorov vzhľadom na dennú spotrebu TÚV) dokážeme z 1 m2 kolektorovej plochy v našom prípade ročne vyťažiť asi 700 kWh energie (Tab. 1).

 

 

 sol-5.jpg

Obr. 5  Graf výkonu kolektora TS300 (abs. plocha 1,78 m2) pri solárnom žiarení 1000 W/m2
v závislosti od rozdielu teploty absorbéra a okolitého vzduchu (T*Sol)

 

Ak zvýšime počet kolektorov na 40, získame celkovo zo slnka viac energie, ale kolektory budú pri nezmenenej dennej spotrebe TÚV (4000 l/deň) menej ochladzované ako v predchádzajúcom prípade a z 1 m2 inštalovanej plochy získame ročne len asi 560 kWh tepla (Tab. 1). Vďaka vyššiemu počtu kolektorov však dokážeme počas najteplejších letných dní ohriať vodu kolektormi až na požadovaných 50 °C a časť roka nemusíme využívať iný zdroj tepla.

 

4. Pod-dimenzované solárne systémy s veľkým počtom kolektorov

Veľké systémy na TÚV s desiatkami alebo stovkami kolektorov sa nezriedka navrhujú ako „pod-dimenzované“ a pokrývajú menej ako 15 % z celkovej potreby energie. V takýchto prípadoch kolektory pracujú veľmi účinne (priemerný ročný energetický zisk z 1 m2 kolektorovej plochy môže dosiahnuť viac ako 800kWh), čo zlepšuje návratnosť takýchto veľkých investícií. Naviac, pri objektoch s veľkou celkovou spotrebou TÚV, ako veľké nemocnice, hotelové komplexy a pod., je často limitujúcim faktorom miesto na inštaláciu kolektorov.

 

5. Vplyv ročného priebehu spotreby na návrh
veľkosti systému a energetické pokrytie

Sezónna nerovnomernosť spotreby TÚV môže energetické parametre výrazne zlepšiť (napr. rekreačné zariadenia s najväčším využitím počas letnej sezóny) alebo ich môže zhoršiť (napr. školy, školské jedálne, internáty s nízkou spotrebou TÚV počas letných prázdnin).

 

Záver

„Rozumne“ dimenzovaný väčší solárny systém, pri ktorom počas najteplejšieho obdobia roka dokážeme využiť celý výkon inštalovaných kolektorov, pokrýva v prípade rovnomernej ročnej spotreby TÚV (napr. v bytových domoch) max. 50-60% energie za rok. Prekročenie tejto hodnoty znamená neefektívnu investíciu do zbytočne veľkého systému.

 

Ing. Alfréd Gottas, Mgr. Marian Ježo, THERMO/SOLAR Žiar s.r.o.
e-mail: gottas@thermosolar.sk