Solární kolektory

Přínosy solárních soustav

4. 8. 2014

Pro hodnocení efektivity solárních tepelných soustav a jejich přínosů se využívá řady parametrů uvedených v předchozích kapitolách. primárně jsou vyhodnocovány roční tepelné zisky solární soustavy využité pro krytí příslušné potřeby tepla v budově (příprava teplé vody, vytápění), případně úspora energie vlivem instalace solární soustavy.
Vyhodnocení energetických přínosů může být provedeno výpočtem nebo měřením, Výsledky u obou způsobů velmi záleží na správnosti postupu, nicméně lze předpokládat, že výpočty jsou z principu vždy zatíženy chybou vzhledem k nezbytnosti zjednodušení skutečně realizované soustavy na výpočtový model, z důvodu zanedbání či chybného nastavení řady parametrů a podmínek nebo vlivem nesprávného odhadu provozního chování uživatelů. s určitým nadhledem lze stanovit prioritu postupů získání informace o přínosech solární soustavy: 1. měření, 2. výpočty simulačními programy, 3. zjednodušené metody výpočtu.

Zjednodušené výpočty energetických přínosů

Běžná projekční i auditorská praxe se s ohledem na složitost, časovou náročnost zvládnutí pokročilých simulačních programů a časté nedostupnosti vstupních údajů potřebných pro simulační výpočty uchyluje ke zjednodušeným metodám výpočtu. Zjednodušené výpočtové postupy jsou určeny ke stanovení přibližných energetických zisků a jsou použitelné především pro ruční výpočet nebo výpečet v běžném tabulkovém procesu. Výhodně lze zjednodušených metod použít ve fázi návrhu plochy solárních kolektorů, kdy lze orientačně porovnávat různé varianty návrhu plochy kolektorů a sledovat jejich vliv na možné přebytky nevyužitelné energie a potenciální celoroční zisky.

Zjednodušená měsíční bilanční metoda (TNI 73 0302)

Zjednodušená měsíční bilanční metoda je fyzikálně zřetelným postupem energetického hodnocení solárních soustav, který vede ke stanovení ročních tepelných zisků solární soustavy na základě porovnání teoreticky využitelných tepelných zisků ze solárních kolektorů a potřeby tepla, která má být kryta v jednotlivých měsících.

Výpočtový postup je obecně určen pro základní typy solárních soustav:

• solární soustavy pro přípravu teplé vody

• kombinované solární soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění

• solární soustavy pro ohřev bazénové vody

Výpočet založený na energetické bilanci využitelných měsíčních tepelných zisků solárních soustav je fyzikálně zřetelný, nicméně je do značné míry zjednodušený:

• střední teplota v kolektorech je v celém roce konstantní

• tepelné ztráty solární soustavy se zahrnují paušální srážkou ze zisků

• vliv optických charakteristik kolektoru (modifikátor úhlu dopadu) je paušálně zjednodušen v korekci celkových zisků kolektoru

• nezohledňuje se velikost akumulačního zásobníku a nelze tedy vyhodnotit soustavy s extrémně malou nebo velkou plochou kolektorů

• solární kolektor

• plocha apertury kolektoru

Výpočet využívá jednotné klimatické podmínky pro jednotlivé měsíce v tabelární formě.

Metoda f-chart

Metoda f-chart byla vyvinuta pro vyhodnocení ročních tepelných zisků kapalinových a vzduchových solárních soustav pro vytápění a přípravu teplé vody a pro čistě přípravu teplé vody s minimální provozní teplotou 20°C. Principem metody je korelační závislost odvozená na základě výsledků stovek simulačních výpočtů tepelného chování solárních soustav pro stanovené rozsahy hodnot parametrů jednotlivých prvků. Korelační závislost udává měsíční pokrytí potřeby tepla pro přípravu teplé vody nebo vytápění solárními zisky jako funkci dvou bezrozměrných parametrů.
Metoda f-chart byla zavedena v evropské normě EN 15316-4-3 pro stanovení produkce tepla solárními soustavami jako metoda využívající technické parametry prvků solární soustavy.

Metodu f-chart je možné v souladu s EN 15316-4-3 použít pro podrobný výpočet v rámci soustavy výpočtových postupů hodnocení energetické náročnosti budovy, který kromě tepelných zisků dodaných solární soustavou stanovuje dále:

• tepelné ztráty solárního zásobníku

• využitelné a využité tepelné ztráty solární soustavy

• potřebu pomocné elektrické energie čerpadel a regulace v kolektorovém okruhu

Zavedení evropské normy pro hodnocení solárních soustav přináší na jedné straně osvědčený nástroj, který zahrnuje do stanovení energetických přínosů vliv konkrétně použitých prvků soustavy (objem zásobníku, výkon solárního výměníku, tepelné ztráty potrubí). Na druhé straně pro posuzovatele, který není znalý teoretických základů výpočtové metody a solárních kolektorů a soustav obecně, může přinášet řadu nedorozumění při jejím použití.

Počítačové simulace solárních soustav

Obr.: Příklad složení solární soustavy pro přípravu teplé vody z připravených prvků v programu Polysun 4, zdroj: SPF Rapperswill

Pokud existuje potřeba podrobněji hodnotit konkrétní řešení solární soustavy s vysokou jistotou, je nezbytné použít některý z dostupných simulačních nástrojů. Matematické modelování solárních soustav s využitím komplexních moderních simulačních nástrojů umožňuje, pokud má uživatel dostatečnou zkušenost, poměrně přesné stanovení zisků pro předpokládané podmínky provozu a klimatické údaje. Počítačové simulace využívají matematické modely jednotlivých prvků definované podrobnými parametry, které mohou vycházet z výsledků laboratorních zkoušek nebo jiných simulačních programů.

Simulační programy lze rozdělit na:

• systémové - programy s předdefinovanými hydraulickými zapojeními solárních soustav (šablonami), použitelnými prvky soustav a parametry vlastního výpočtu

• modulární - uživatel musí funkční hydraulické schéma solární soustavy složit z jednotlivých modelů prvků (podprogramů, vlastních programů) jako jsou kolektory, zásobníky, čerpadla, potrubí, regulace, výměníky, kotle aj. a nastavit potřebné parametry vlastního matematického výpočtu

Polysun

Program Polysun umožňuje simulaci solárních soustav pro přípravu teplé vody, solárních kombinovaných soustav či soustav technologických. Obsahuje velmi obsáhlou databázi solárních kolektorů, které byly přímo ve výzkumném ústavu zkoušeny, nicméně umožňuje i zadání vlastních parametrů solárního kolektoru. Polysun obsahuje klimatické databáze pro více než 6300 lokalit z celého světa včetně ČR. Program umožňuje analýzu stínění kolektorového pole. Program lze využít pro řešení komplexních solárních soustav i s prvky jako jsou tepelná čerpadla, fotovoltaické systémy nebo chlazení budov. Výsledky jsou prezentovány jako měsíční úhrny energetické bilance s návazným ekonomickým a ekologickým hodnocením.

T*SOL

Program T*SOL je k dispozici také v několik variantách. Jednodušší verze obsahuje pouze 5 základních šablon hydraulických zapojení solárních soustav pro přípravu teplé vody. Program je vhodný pro širokou veřejnost, pro výukové účely v rámci vzdělávání odborníků v oboru nebo pro základní výpočty energetických bilancí jednoduchých solárních soustav pro přípravu teplé vody. program obsahuje klimatické databáze ze 650 lokalit v celé Evropě. Pokročilá verze programu pracuje s klimatickými databázemi Meteonorm s údaji z 2000 lokalit, případně umožňuje zadat naměřené klimatické údaje. Program lze využít pro parametrické analýzy k optimalizaci prvků a provozních parametrů solární soustavy, import experimentálních dat. Součástí programu je i ekonomická či emisní analýza zvolené solární soustavy. Grafický výstup je přehledný a umožňuje poměrně snadno procházet výsledky po dnech týdnech či měsících.

Obr.: Předefinované schéma zapojení solární soustavy v programu T*SOL, zdroj: Dr. Valentin Energie Software GmbH



Autor článku: Tomáš Matuška, použitá publikace Solární zařízení v příkladech, nakladatelství Grada