Přínosy solární soustavy při změně provozních podmínek

V příspěvku je představen výsledek analýzy zisků solární soustavy na rodinném domě, provedené s využitím výpočetního programu PROVOZ_SK, při zohlednění reálných klimatických údajů. Výsledky jsou pro názornost zpracovány v grafech. Podle autora není potřeba se obávat velkých výkyvů v přínosech solární soustavy způsobených klimatickou odlišností jednotlivých let, protože podstatně vyšší výkyvy jsou způsobeny změnou odběru tepla uživatelem.

Recenzent: Miroslav Štorkan

Projekční řešení a související energetické zhodnocení projektované solární tepelné soustavy vychází z definovaných vstupních návrhových podmínek: potřeba tepla, která má být kryta a klimatické podmínky. Údaje o potřebě tepla projektant získá buď přímo u odběratele tepla a budoucího uživatele solární soustavy nebo potřebu tepla stanoví na základě směrných hodnot, výpočtu či zkušenosti s obdobným druhem provozu. Klimatické údaje pro návrh a hodnocení solárních soustav jsou dnes k dispozici od ČHMÚ [1] jako tzv. referenční klimatické roky (RKR) pro definované oblasti ČR, které jsou výsledkem statistického zpracování reálných klimatických údajů o dopadající sluneční energii a venkovní teplotě v dané oblasti podle normové metodiky [2].

Nicméně, při reálném provozu solární soustavy se jednotlivé roky od sebe mohou lišit jak klimatickým charakterem (např. deštivý rok, teplý rok, apod.), tak potřebou tepla (např. snížení odběru po odstěhování dětí). Na otázku „jak se tyto změny projeví na přínosech solární soustavy a zda je možné bez obav garantovat projektovaný přínos solární soustavy“ se pokusí odpovědět tento článek.

Solární soustava

Pro následující analýzu vlivu změny klimatických podmínek a odběru tepla na tepelné zisky solární soustavy byla uvažována solární soustava pro přípravu teplé vody v rodinném domě. Hlavní návrhové parametry projektované solární soustavy jsou uvedeny v tab. 1.

Pro vlastní zhodnocení energetických přínosů solární soustavy byl použit výpočetní program PROVOZ_SK [3]. PROVOZ_SK je nástroj pro statický výpočet solární soustavy pro přípravu teplé vody v hodinovém kroku, využívající klimatickou databázi s hodinovými údaji pro sluneční ozáření na vodorovnou rovinu a venkovní teplotu. Program využívá přepočet slunečního ozáření na libovolně orientovanou a skloněnou rovinu kolektoru (izotropický model pro difuzní záření). Vstupními parametry solární soustavy jsou kromě plochy solárního kolektoru a křivky účinnosti také optická charakteristika kolektoru (křivka modifikátoru v podélném a příčném směru), parametry zásobníku (objem, tloušťka a vlastnosti tepelné izolace, maximální teplota), rozměry potrubí (délka, světlost a tloušťka tepelné izolace), odběr teplé vody a teplotní úroveň s uvažováním denního a ročního profilu odběru. Kromě hlavních určovaných parametrů solární soustavy: tepelné zisky Q_ss,u, solární pokrytí f a účinnost soustavy h_ss umožňuje program vyhodnotit i dobu běhu oběhového čerpadla, dobu stagnace, tepelné ztráty, aj.

Klimatické podmínky

Nejdůležitějšími klimatickými parametry ovlivňujícími tepelné zisky solárních soustav (se zasklenými kolektory) jsou sluneční záření a venkovní teplota.

Na obr. 1 jsou uvedeny roční úhrny energie slunečního záření dopadající na jižně orientovanou plochu se sklonem 45° a průměrné roční teploty v době slunečního svitu pro roky 1984 až 1997 (ČHMÚ), dále pro tzv. typický meteorologický rok (TMY Meteonorm [5]) po­užívaný v řadě simulačních nástrojů (TRNSYS, T*SOL, apod.) a referenční klimatický rok (RKR). Všechny údaje jsou pro oblast Praha. Z grafu vlevo je patrné, že dopadající sluneční energie v reálných letech se meziročně nemění o více než ±8 % od průměrné hodnoty. Podobně venkovní teplota v době slunečního svitu (v době provozu solárních kolektorů) se pohybuje v rozsahu ±1,5 K (viz obr. 2), což má na změnu účinnosti kolektorů minimální vliv. Nicméně, lze toto poměrně malé kolísání klimatických podmínek jednoduše přenést i na zisky solární soustavy?

Pro jednotlivé klimatické roky byly simulačním výpočtem stanoveny energetické přínosy solární soustavy pro referenční parametry uvedené v tab. 1. Výsledky pro jednotlivé roky jsou uvedeny v grafu na obr. 3. Z grafů je patrné, že meziroční kolísání zisků solární soustavy vlivem kolísání klimatických podmínek se pohybuje také do cca ±10 %. Měrné zisky se pohybují od 340 do 400 kWh/(m²·rok) a solární pokrytí od 57 do 67 %.

Z výsledků však vyplývá také zajímavý závěr ohledně použití statistických klimatických roků. Klimatické údaje typického meteorologického roku (TMY, Meteonorm) používaného v simulačních softwarech poskytují velmi konzervativní hodnotu přínosů solární soustavy na úrovni 350 kWh/(m²·rok). Naopak přínosy solární soustavy pro referenční klimatický rok (RKR, ČHMÚ) vykazují hodnotu 430 kWh/(m²·rok), která během 14 po sobě jdoucích reálných letech nebyla dosažena. Vysoká hodnota přínosů vyplývá z velmi vysoké úrovně úhrnu slunečního záření na kolektorovou plochu.

Vzhledem ke skutečnosti, že převažující vliv na zisky solární soustavy má dopadající sluneční záření, je výhodné vyhodnocovat účinnost solární soustavy definovanou jako poměr mezi využitými zisky a dopadlou sluneční energií. Účinnost solární soustavy je relativně stabilním parametrem, bez významného vlivu klimatických podmínek. Účinnost solární soustavy pro uvažovaný rodinný dům se pohybuje od 34 do 36 %.

Na obr. 4 je uvedena souvislost mezi měrnými ročními zisky solární soustavy a roční dávkou slunečního ozáření (ročním úhrnem dopadlé energie na m²). Směrnice přímky proložené body z jednotlivých let je střední účinnost solární soustavy. Hodnota účinnosti pak může sloužit pro predikci ročních zisků solární soustavy na základě roční dopadající energie.

Potřeba tepla

Při návrhu solární soustavy je potřeba tepla v dané aplikaci zásadní vstupní informací. Na jejím základě a požadavku investora na výši solárního pokrytí potřeby tepla se stanovuje plocha solárních kolektorů a z ní pak většina ostatních prvků (světlost potrubí a související tloušťky izolace, výkon výměníku tepla, objem expanzní nádoby, počet nosných konstrukcí, apod.). V případě nevhodně stanovené či odhadnuté potřeby tepla, zejména nadhodnocené oproti skutečnosti, je potom kolektorová plocha solární soustavy předimenzovaná, investičně zbytečně náročná a soustava se potýká nejen s provozními problémy (časté odstávky v letním období, problematická stagnace a var kapaliny v kolektorech, aj.), ale také s adekvátně nížšími energetickými přínosy a souvisejícími špatnými ekonomickými parametry.

Potřeba tepla však může být časově nestálým parametrem, ať již z důvodu postupného zavádění úsporných opatření (instalace úsporných baterií, sprchových hlavic, omezení cirkulace teplé vody, aj.) nebo prostého snížení odběru teplé vody, např. trvalým snížením počtu uživatelů, stárnutím uživatelů a změnou hygienických návyků, apod. Potom i původně správný návrh kolektorové plochy na daný stav odběru tepla pro dosažení ekonomické úspory se ukáže jako nevhodný. S poklesem odběru tepla klesají automaticky i tepelné zisky, které je možné pro krytí potřeby tepla využít.

Na obr. 5 je provedena analýza vlivu změny potřeby tepla (zde v procentech oproti referenční potřebě tepla) na využité zisky solární soustavy. Pro zjednodušení si lze představit, že 25% pokles odpovídá odstěhování jednoho člena domácnosti či výměna všech výtokových baterií za úsporné. Výpočet je proveden jak pro klimatickou databázi typického meteorologického roku TMY (konzervativní hodnoty) tak pro referenční klimatický rok RKR (optimistické hodnoty). Poměrné výsledky jsou v podstatě shodné. S poklesem spotřeby teplé vody o 25 % dochází k poklesu celkových zisků o 13 %, při poklesu o 50 % zisky solární soustavy klesnou o 32 %.

Garance přínosů solárních soustav

Garance dosažení energetických zisků solární soustavy je nástrojem [4], který slouží pro překonání nedůvěry a odstranění investorovy nejistoty, že jeho solární soustava nebude pracovat ekonomicky a nedosáhne předpokládaných energetických úspor. Zároveň je garantovaný zisk kontrolovatelným (měřitelným) parametrem, který lze uplatnit v případě reklamace funkce solární soustavy.

Možné obavy dodavatelů solárních soustav, týkající se poskytnutí záruk za projektované přínosy, mohou být vyvráceny za následujících předpokladů:

1. solární soustava je navržena na zodpovědně stanovenou (měřenou) potřebu tepla;
2. pro stanovení přínosů solární soustavy je použit simulační software, který umožní podrobně zadat konkrétní projekční řešení solární soustavy;
3. pro stanovení přínosů solární soustavy jsou použity adekvátní klimatické údaje na straně konzervativních hodnot (např. TMY);
4. garance přínosů je omezena na dané projekční řešení solární soustavy, jakékoli změny musí být přehodnoceny novým výpočtem.

Garantované solární zisky ve smlouvách nejsou rigidní konstantou, ale jsou aktualizovány na základě skutečných měsíčních spotřeb teplé vody v daném místě. Pro každý měsíc platí zpravidla následující podmínky [4]:

• pokud je reálná spotřeba teplé vody (při definované teplotní úrovni) vyšší než původně odhadovaná spotřeba, cílový solární přínos je stanoven z původně odhadované spotřeby;
• pokud je reálná spotřeba teplé vody v rozmezí 50 až 100 % původně odhadované spotřeby, cílový solární přínos je přepočítán na reálnou spotřebu (snížen);
• pokud je reálná spotřeba teplé vody nižší než 50 % původně odhadované spotřeby, měsíc není pro záruku vůbec uvažován.

Závěr

Přestože tepelné zisky solární soustavy přímo závisí na dopadající sluneční energii, není nutné se obávat příliš velkých výkyvů v přínosech solární soustavy v jednotlivých letech provozu vlivem klimatických podmínek. Zatímco klimatické údaje typického meteorologického roku (TMY) běžně používané v simulačních nástrojích vedou k relativně konzervativním odhadům přínosů, použití klimatických údajů referenčního klimatického roku (RKR) vede k optimistickým výsledkům a pro stanovení garantovatelných přínosů není vhodné.

Významně vyšší výkyvy než vlivem klimatických podmínek v jednotlivých letech jsou způsobovány změnou odběru tepla uživatelem, např. úspornými opatřeními provedenými po realizaci solární soustavy, poklesem míry využívání teplé vody, krátkodobým nebo dlouhodobým snížením počtu obyvatel domu (dovolená, odchod dětí z domu). I s takovou situací je vhodné počítat již při projektování solární soustavy a v rámci návrhu vzít v úvahu možný budoucí pokles nebo naopak nárůst spotřeby tepla oproti stávající realitě.

Odkazy

[1] Český hydrometeorologický ústav, Informace pro Vás / Referenční klimatický rok, dostupné na <http://www.chmu.cz>
[2] ČSN EN ISO 15927-4 – Tepelně vlhkostní chování budov – Výpočet a uvádění klimatických dat – Část 4: Hodinová data pro posuzování roční energetické potřeby pro vytápění a chlazení, ÚNMZ, únor 2011.
[3] MATUŠKA, T.: Provozní bilance solární soustavy pro přípravu teplé vody PROVOZ_SK, autorizovaný software, ČVUT v Praze, 2007.
[4] MATUŠKA, T.: Garantované solární zisky, dostupné na <http://energie.tzb-info.cz/ solarni-kolektory/5919-garantovane-solarni-zisky>, Portál tzb-info, 2009.
[5] Meteonorm, Global Meteorological Database for Engineers, Planners and Education, http://www.meteonorm.com

---

The benefits of solar thermal systems during operation condition change

This article presents analysis of solar thermal system operation in real conditions. The software Provoz_sk was used for result comparison. Standard and measured weather data set was used in solar system simulations. The result is that the real data set is not necessary for real guaranteed benefit of a solar thermal system.

Keywords: solar thermal system, solar system, real weather data