Solární soustava bez nemrznoucí směsi

Voda je ideální kapalina. Vyznačuje se velkým měrným teplem, dobrou tepelnou a teplotní vodivostí, nízkou dynamickou i kinematickou viskozitou. Pro své vlastnosti je nejčastěji používaným mediem pro přenos tepla v tepelně-energetických zařízeních. Přidáním jakýchkoli látek se zhoršují vlastnosti vody důležité pro přenos tepla. To se týká i vodných roztoků snižujících bod tuhnutí. Použití čisté vody v primárních okruzích solárních systémů by bylo energeticky výhodné.
Autoři článku popisují s pečlivostí, která jim je vlastní, simulační řešení problémů při použití čisté vody v solárních systémech.

Recenzent: Jiří Matějček

Úvod

Neustálá snaha o snižování investičních i provozních nákladů solárních soustav přinesla instalace celoročně provozovaných soustav, v nichž je nemrznoucí směs nahrazena vodou. Předností vody oproti nemrznoucím směsím je její vyšší tepelná kapacita, nižší viskozita, prakticky neomezená životnost a nízká cena. Nevýhodou soustav s vodou je určitá potřeba tepla zabraňující možnému zamrznutí vody ve vnějších částech soustavy, pokud jsou vystaveny podnulovým teplotám vnějšího vzduchu. Příspěvek pomocí simulace provozních stavů vybraných solárních soustav během zimního období poskytuje informace o velikosti této potřeby tepla. Součástí popisu soustav je i návrh způsobu řízení a srovnání s klasickou solární soustavou s nemrznoucí směsí. Pozornost je věnována také návrhu vhodného typu kolektoru.

Technické i ekonomické důvody vyžadují navrhovat solární soustavy s nižšími investičními náklady a pokud možno s vyšší funkční spolehlivostí a životností. Potřebné je také snížení provozních nákladů, které mají vliv na ekonomické hodnocení.

Solární soustava, ve které je místo nemrznoucí směsi použita jen voda, má řadu předností:

• snížení nákladů na teplonosnou kapalinu,
• odpadá výměník tepla primárního okruhu, přičemž se snižuje střední teplota v kolektorech o 4 až 8 °C,
• snižuje čerpací práci vzhledem k větší tepelné kapacitě vody a nižší viskozitě,
• v primárním okruhu odpadá jedno čerpadlo včetně armatur a elektrické instalace,
• odstraňuje rizika degradace nemrznoucí směsi spojená s tepelnou stagnací,
• zjednodušuje se napojení na odběratelské soustavy,
• vzhledem k vyššímu výkonu kolektorů je možno zmenšit plochu kolektorů (zvýšení účinnosti vlivem nižší střední teploty kolektorů),
• zkracuje dobu montáže a uvedení do provozu,
• umožňuje zmenšit objem solárního zásobníku vzhledem k možnosti využít vyšší teplotu vody z kolektorů při stejné účinnosti,
• vhodně upravená regulace umožňuje využít tepelnou kapacitu kolektorových polí.

Účelem této práce bylo zjistit, jaké množství tepla a čerpací práce je nutno dodat navíc pro ochranu primárního okruhu proti zamrznutí. Toto množství tepla je v textu popisováno jako tepelné ztráty a čerpací práce je přepočtena na spotřebu elektřiny. Pro součet obou energií je použito termínu celkové ztráty.

Při řešení jsme se zabývali i dalšími aspekty, které jsou částečně uvedeny. Soustavy bez nemrznoucí směsi je možno používat pro malé i velké instalace, i když u velkých jsou přínosy výraznější.

Pro navrhování bude vhodné zpracovat manuál, který se již nemusí zabývat tepelnou bilancí v zimním období, ale spíše provozem a zvláště regulací včetně zabezpečení.

Klimatické hodnoty

Základem simulačního modelu je klimatický model referenčního roku zpracovaný SW Meteonorm 6.0 pro Ostravu. Tento model je ­sestaven pro minutové intervaly umožňující dosažení přesnějších výstupů oproti běžným hodinovým krokům a pro modelování bylo použito průběhů venkovní teploty a intenzity ozáření pro plochu orientovanou k jihu se sklonem 45°.

Teoreticky jsou podstatné časové úseky s výskytem teplot pod 0 °C, kdy je nutno soustavu zabezpečit proti tvorbě ledu. Prakticky je z důvodu bezpečnosti nutno počítat s hraniční teplotou o něco vyšší než 0 °C, např. s 1 °C až 3 °C ap. Analýza délky časových úseků byla provedena pro období od 1. 10. do 30. 4. referenčního roku.

Základní výchozí informace získané z klimatického modelu pro venkovní teplotu jsou znázorněny na obr. 1 až 3.

Z údajů na obr. 2 lze vyčíst, že z celkového počtu 5088 hodin sledovaného období trvá venkovní teplota 1 °C a nižší po dobu 1952 hodin a teplota 3 °C a nižší pak 2572 hodin. Z údajů na obr. 3 pak lze vysledovat, že nejčetnější výskyt teplot byl v intervalu od 0 °C do 1 °C po dobu 339 hodin.

Pro radiaci jsou informace převzaté z klimatického modelu předvedeny na obr. 4 a 5. Obr. 4 znázorňuje průběh globální intenzity záření na horizontální plochu a je zde vyznačen i její klouzavý 24hodinový průměr, tj. že jsou do tohoto průměru zahrnuty i noci.

Vezme-li se globální záření na horizontální plochu pouze v době možného slunečního svitu, tzn. hodnotí se jen denní doba, pak se ve sledovaném období pohybuje průměr okolo 280 W·m^–2. Na obr. 5 je znázorněn histogram četností intenzit slunečního záření dopadajícího na jižně orien­tovanou plochu se sklonem 45 °C. V prvním intervalu tzn. od 0 do 100 W·m^-2 nejsou zahrnuty časové úseky s nulovou intenzitou, tedy noci.

Výběr soustav

Pro simulaci byly definovány reálné solární soustavy o plochách apertury 100 m² a 400 m². Jedná se o běžný typ soustav instalovaných na budovách. Kolektory jsou natočeny k jihu a mají úhel sklonu 45°.

Tepelné ztráty se týkají pouze částí soustav ve venkovním prostředí, typicky tedy na střechách. Kolektorová pole se člení do větví. Kolektory ve větvích jsou zapojeny sériově s 25 až 40 m² v jedné větvi. Celkové zapojení je sérioparalelní.

Výběr kolektorů

Vzhledem k tomu, že v zimním období je nižší průměrná intenzita solárního záření, rozhodují pro výběr kolektorů tepelné ztráty a nikoliv zisky. Vybrány byly kvalitní trubicové vakuové kolektory s parabolickým zrcadlem (ETB-CPC) a ploché vakuované kolektory (EFP). Jako třetí varianta byly původně připraveny vysoce selektivní ploché kolektory (FP). Výpočet však ukázal, že jejich tepelné ztráty jsou neakceptovatelné, a proto s nimi není dále uvažováno.

Klasické znázornění účinnostních charakteristik je uvedeno na obr. 6.

Na výběr kolektorů mají zásadní vliv nejen nízké teploty, ale především průměrně nízké intenzity solárního záření v daném období. ETB-CPC si udržují při těchto parametrech stále dobrou účinnost. Srovnání je vidět v grafu na obr. 7 a obr. 8, kde jsou naznačeny účinnostní křivky v závislosti na teplotním rozdílu mezi střední teplotou kolektoru t_sa venkovní teplotou t_e výše uvedených kolektorů pro intenzitu ozáření 800 W·m^–2 a 400 W·m^–2.

Obr. 7 • Srovnání účinností kolektorů v závislosti na rozdílu teplot při intenzitě 800 W·m^–2

Obr. 8 • Srovnání účinností kolektorů v závislosti na rozdílu teplot při intenzitě 400 W·m^–2

Měrné průtoky kolektorů

U velkoplošných soustav se převážně používají nízké průtoky (Low-Flow), které umožňují použít menší světlosti trubek a také menší čerpadla, armatury apod. To je výhodné i z hlediska nízkých tepelných ztrát v zimním období. Při výpočtech jak solárních zisků, tak i tepelných ztrát, byl používán (není-li uvedeno jinak) měrný objemový průtok 18 l·m^–2·h^–1, a to u obou velikostí soustav. Tento průtok vyšel v oblasti blízké optimu z rozboru výsledků výpočtů celkových ztrát pro průtoky od 9 do 32 l·m^–2·h^–1.

Soustavy s velkým průtokem (High-Flow) mají průtok dvojnásobný, což znamená zvětšení dimenzí a také zvýšení čerpací práce.

Celkové ztráty

Celkové ztráty vzniklé nutností přihřívání se skládají z tepelných ztrát a čerpací práce.

Tepelné ztráty kolektorového okruhu

Ztráty tepla jsou dvojí: venkovního potrubního rozvodu a samotných kolektorů.

Tepelné ztráty potrubí

Při výpočtu se uvažovaly venkovní potrubní rozvody sestavené z trubek dimenzí od 22/1 do 54/1,5. Celková délka trubek byla u 100 m² soustavy 134 m, u 400 m² soustavy pak 280 m. Navrhované tloušťky izolací byly voleny tak, aby mírně překračovaly hodnoty uváděné ve Vyhl. č. 193/2007 Sb. Jednalo se o běžná izolační pouzdra z minerální vlny.

Tepelné ztráty kolektorů

Tyto ztráty jsou rozhodující pro celkovou bilanci, neboť výrazně převyšují ztráty potrubí. I když se běžně hodnotí kvalita kolektorů podle solárního zisku, zde jsou rozhodující také ztráty v době bez slunečního záření. Při dané venkovní teplotě má na tepelné ztráty vliv teplota cirkulující vody. Obr. 9 ukazuje průběh tepelných ztrát v závislosti na rozdílu střední teploty kolektoru a venkovního vzduchu v době bez slunečního záření a ukazuje na nutnost volby kolektorů s extrémně dobrými tepelně-izolačními vlastnostmi.

Volba výpočtových teplot a sumarizace tepelných ztrát

Výpočty byly provedeny pro různou teplotu vody vystupující z venkovní části solárního okruhu (tzn. proudící směrem do solárního zásobníku), a to pro 1, 3, 5 a 7 °C. Pro dosažení těchto výstupních teplot je potřeba dodávat do venkovní části rozvodu ke kolektorům vodu o teplotě vyšší a eliminovat tak tepelné ztráty, které by zapříčinily snížení vystupující teploty pod uvažovanou bezpečnostní mez.

Druhým voleným parametrem byla hraniční teplota venkovního vzduchu 1 °C a 3 °C, od které se uvažuje se zapnutím přihřívání, pokud soustava není dostatečně prohřívána slunečním zářením.

Možným strategiím vycházejícím ze vzájemné kombinace těchto teplot odpovídají tepelné ztráty a doba provozu přihřívání kolektorů. Pro dané strategie bude dále v textu používáno označení „hraniční teplota venkovního vzduchu/teplota vody vystupující z venkovní části solárního okruhu“, například 1/3 °C.

Tepelné ztráty byly sníženy o tepelné zisky kolektorů v nízkoteplotních stagnačních stavech. V tab. 3 a 4 jsou detailněji zpracovány výsledky pro vakuové trubicové kolektory. Pro srovnání jsou uvedeny základní hodnoty pro ploché va­kuované kolektory, které mají cca 2,7krát větší tepelnou ztrátu než kolektory trubicové, takže není možno s nimi počítat pro tyto soustavy, podobně jako s již výše uvedenými klasickými kolektory. Dále jsou v tabulkách uvedeny hodnoty čerpacích prací.

Tab. 3 • Specifikace ztrát pro různé strategie a vybrané kolektory pro soustavu 100 m²

Tab. 4 • Specifikace ztrát pro vybrané strategie a kolektor ETB-CPC pro soustavu 400 m²

Čerpací práce

Vliv průtočného množství pro strategii 1/3 °C vzhledem k tepelným ztrátám soustavy a čerpací práci je vidět v grafu na obr. 10. Optimum je v rozpětí průtoků 13 až 19 l·m^–2·h^–1, avšak je poměrně ploché. Čerpací práce v tomto rozsahu průtoku činí 1,1 až 2,6 % z celkové ztráty v zimním období. Uvažovalo se s nasazením elektronicky řízených čerpadel s nízkou spotřebou elektřiny.

Obr. 10 • Závislost ztrát na velikosti měrného průtoku pro 100 m²

Stagnační stavy kolektorů

Stagnační stavy jsou běžně spojovány jen s přerušením oběhu v kolektorech za vysokých teplot. Avšak i při nízkých teplotách dochází ke stagnaci, pokud solární radiace nedokáže zajistit ohřev teplonosné kapaliny v kolektorech nad nastavenou minimální diferenci teplot mezi vodou v kolektorech a vodou v zásobníku, při které se zapíná oběhové čerpadlo pro nabíjení zásobníku. Pokud za tohoto stavu dojde k ozáření bez průtoku, zvýší se teplota v kolektorech a snižují se dotované tepelné ztráty kolektorů, které by jinak musely být kompenzovány přitápěním. V simulacích soustav s tím bylo počítáno, a proto je doba provozu soustavy kratší než období s teplotou menší než 1 °C.

V letním období dochází ke stagnačním stavům z důvodů nabití zásobníku, výpadku dodávky elektřiny nebo při technické poruše. Při vysokoteplotní stagnaci je dosahováno teplot 150 až 170 °C u plochých kolektorů, u trubicových přes 200 °C. To snižuje životnost nemrznoucí směsi. Je-li primární okruh naplněn vodou, která může být opakovaně vystavena přehřívání, nedochází ke ztrátě životnosti. Zabezpečení zajistí pouze správně navržená expanzní nádoba. Ostatní komponenty (např. chladiče) běžné u velkých soustav s nemrznoucí směsí odpadají.

Teplotní diference na kolektorech

Rozdíl teplot závisí na průtoku, okolní teplotě, kvalitě kolektoru a solární radiaci, pokud existuje. Výpočtem byly stanoveny rozdíly teplot při měrném objemovém průtoku 18 l·m^–2·h^–1 pro dané kolektory.

V tab. 5 jsou pro demonstraci prezentovány výsledky dosažených rozdílů teplot Dt (levá část tabulky) a výsledných výstupních teplot t₂ (pravá část tabulky) kolektoru ETB-CPC pro venkovní teplotu 0 °C a –15 °C a různé úrovně radiace 200 až 0 W·m^–2.

Například vstoupí-li při venkovní teplotě t_e = –15 °C bez radiace do kolektoru voda o teplotě t₁ = 10 °C, je výstupní teplota z kolektoru 8,67 °C, tedy nižší o 1,33 °C (ztráta), ale při radiaci (ozáření) 150 W·m^–2 bude 13,96 °C, tedy vyšší o 3,96 °C (zisk).

Na posledních řádcích levé části tabulky je ukázána výpočtová stagnační teplota kolektoru při daných podmínkách.

Ztráty tlaku kolektorového okruhu

Posuzujeme-li soustavu v daném zimním období, srovnáváme čistou vodu s nemrznoucí směsí vody a propylenglykolu (V&PPG) při teplotách 5 až 15 °C, což je z hlediska letního období nestandardní stav.

V rozmezí hodnot redukovaného teplotního rozdílu 0,04 až 0,08 K·m²·W^–1 činí rozdíl účinnosti mezi V&PPG a čistou vodou 1,5 %. Při použití čisté vody má kolektor výkon vyšší o 1,5 %. Je to dáno vhodnějšími termodynamickými a termokinetickými vlastnostmi vody. Viz srovnání v tab. 6, kde je voda srovnávána s 40%_obj. směsí propylenglykolu a vody, což prakticky odpovídá 80% směsi Solarenu a vody.

Je pravdou, že se kinematická viskozita při nižších teplotách nemrznoucí směsi výrazněji zvyšuje než u vody a při teplotách 10 °C již dosahuje 5násobných hodnot vody. To ale neznamená, že stejným poměrem narůstají tlakové ztráty. Kinematická viskozita ovlivňuje Reynoldsovo číslo, následně součinitel tření l a ten pak tlakovou ztrátu potrubí. Proto průběh Dp potrubí nekopíruje průběh kinematické viskozity. Dále je zde vliv průměru potrubí. U malých světlostí ztráty vlivem Reynoldsova čísla narůstají výrazněji než u větších, a to zvláště při nízkých teplotách.

Použitím vody v zimním období dojde proto k výraznému snížení tlakových ztrát, a tím i čerpací práce.

Hodnotíme-li však tlakové ztráty ocelového potrubí DN 25 při 50 °C, pak podíl tlakových ztrát směsi V&PPG vůči vodě je cca 1,3; pro DN 50 cca 1,25. Při teplotě tekutiny 10 °C je podobně pro DN 25 podíl 1,7 a pro DN 50 cca 1,5 [2].

Rozhodující roli hrají kolektory a jejich zapojení do sérií. Tlakovou ztrátu lze předvídat jen orientačně. Vliv teplonosné látky je u nich obdobný jako u potrubí, neboť hydraulicky jsou kolektory registry z potrubí.

Nahradíme-li nemrznoucí směs vodou, pak tlaková ztráta okruhu poklesne při přibližně 50 °C o cca 30 %, při 10 °C pak o 40 až 50 %. Tyto údaje je nutné upřesnit pro každou soustavu samostatně.

Zásobník tepla

U velkoplošných soustav je akumulační kapalinou v zásobníku provozní voda, ohřev pitné vody je zajištěn pomocí deskového výměníku samostatným cirkulačním okruhem. Tento systém je zachován i při tomto řešení. Změna je jen v tom, že vynecháním deskového výměníku primárního okruhu je primární okruh a solární zásobník hydraulicky propojen.

Kvalitní kolektory ETB-CPC umožňují dosahovat vyšších teplot při velmi dobré účinnosti, čímž umožní zvýšit rozsah provozních teplot v zásobníku, a tím zvětšit jeho vy­užitelnou tepelnou kapacitu při daném objemu.

To umožní zmenšit užitečný objem zásobníku tepla. Zvýšíme-li maximální teplotu v zásobníku z běžných cca 90 °C na 116 až 120 °C, dojde ke zmenšení objemu zásobníku o 33 až 38 %. Při zvýšení provozní teploty je nutno počítat se zvýšením provozního tlaku, např. pro 120 °C musí být absolutní tlak v soustavě vyšší než 200 kPa, což je výparný tlak pro tuto teplotu. Zvýšení provozního tlaku není velké a je běžně pokryto pojistným ventilem i tlakovou odolností všech prvků solární soustavy. Zmenšení zásobníku není samoúčelné, jelikož představuje snížení investičních nákladů.

Další výhodou zmenšeného objemu je menší plocha pláště zásobníku, čímž se zvyšuje účinnost akumulace zvláště při vícedenním ukládání tepla. Zmenšení zásobníku je cenné i v budovách s intenzivním komerčním využíváním prostoru.

Požadavky na řízení provozu

Hlavním požadavkem je zajistit teplotu vody vycházející z venkovní části primárního okruhu na nezamrzající úrovni. Z výsledků simulace a zároveň s ohledem na bezpečnost se jeví jako vhodná teplota 3 °C. Přerušované zapínání a vypínání čerpadla se na první pohled zdá úspornější, ale nezajistí spolehlivě požadovanou teplotu ve všech částech potrubní primární sítě. Způsobuje to nerovnoměrný průtok při nesprávném návrhu nebo bez vyregulování. Problémovými místy z hlediska zamrzání jsou i ­armatury a místa s poškozenou izolací. Solární soustava plněná vodou vyžaduje věnovat zvýšenou pozornost výběru a provedení tepelné izolace venkovních částí.

Po výpočtech tepelných ztrát a spotřeby čerpací práce jsme přešli na strategii řízení trvalého průtoku při venkovních teplotách pod 1 °C. Prioritní v tomto případě je zabezpečení proti zamrznutí.

Potřeba tepla pro zimní zabezpečení soustavy

Kromě řady výhod má tento druh soustav i nevýhodu ve spotřebě tepla na ochranu proti zamrzání. Zpracovaná simulace poskytla údaje o množství tepla v období 1. 10. do 30. 4. Souhrnné výsledky jsou zpracovány pro strategii 1/3 °C, tedy při venkovních teplotách pod 1 °C se udržuje výstupní teplota vody vystupující z venkovní části solárního okruhu na úrovni 3 °C. Měrný roční zisk solárních soustav pro přípravu teplé vody byl uva­žován ve dvou variantách 550 a 630 kWh·m^–2, který se mění podle provedení soustavy a způsobu provozování (tab. 7).

V rozsahu velikostí solárních soustav 100 až 400 m² se ztráta solárního zisku pohybuje mezi 2,0 až 2,4 %. Tyto hodnoty jsou podobné jako u realizovaných a dlouhodobě sledovaných soustav v SRN, kde se běžně uvádí celkové ztráty cca 2 až 4 % z celoročního zisku [3].

Závěr

Simulace ukázala, že celoročně provozované solární soustavy s vodou jako teplonosnou látkou jsou plně životaschopným řešením. Použití vody přináší řadu neoddiskutovatelných výhod. Nevýhodou je spotřeba energie na zabezpečení proti zamrzání. Provedené simulace prokázaly, že se jedná o malé množství energie vyvažované snížením čerpací práce náhradou PPG vodou. Přínosem je snížení investičních provozních nákladů.

Literatura

1. MATUŠKA, T. Prvky solárních soustav I. Portál TZB-info. [cit. 26. 7. 2014]. Dostupné na <http://www.tzb info.cz/ 3418-prvky-solarnich-soustav-i>
2. KRAMOLIŠ, P., VRTEK, M. Tabulky pro stanovení hydraulické ztráty třením v kruhovém potrubí a hydraulické ztráty místními odpory při proudění teplonosné kapaliny Solaren. Technické vydavatelství Praha, 2004. ISBN 80-803261-1-0
3. MEISSNER, R., ABRECHT, S. The Key For Optimizing Large-Scale Solar-Thermal Systems is Combining Parabolic Mirrors, Evacuated Tube Collectors and H₂O. [cit. 16. 5. 2014]. Dostupné na: <http://ritter-xl-solar.com/ uploads/media/The_Key_for_Optimi- zing_Large-Scale_Solar-Thermal_ Systems.pdf>

Článek byl zpracován s laskavou podporou projektu ENET – Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie (CZ.1.05/2.1.00/03.0069).

---

Solar Thermal System without Anti-freezing Liquid

Continuous effort to reduce capital and operating costs of installing solar systems brings year-round operating systems, in which the antifreeze is replaced with water. The advantage of water compared with antifreeze is its higher heat capacity, lower viscosity, practically unlimited service life and low price. The disadvantage of systems with water is heat requirement that prevents water freezing in the outer parts of the system when exposed to temperatures of ambient air below 0 °C. The article provides information about the size of the heat demand by simulating operating conditions selected for solar systems during the winter season. Part of the description of systems is a proposal of the control and a comparison with the classical solar system with antifreeze. Attention is also given to design of an appropriate type of collector.

Keywords: solar thermal system, circulatory liquid, antifreeze, water