1/51
Prvky solárních soustav a jejich navrhování stagnace a její vliv na návrh prvků teplonosné kapaliny, potrubí, izolace pojistná a zabezpečovací zařízení odplynění, zpětná klapka čerpadlo, výměník, regulátor
2/51
Stagnace stav bez odběru tepla z kolektoru v době příjmu slunečního záření příčiny: zásobník (spotřebič tepla) dosáhne požadované teploty, regulátor zastaví oběhové čerpadlo výpadek elektrické energie neoprávněný zásah do soustavy (uzavření větve) důsledky v kolektoru se zvyšuje teplota nastává rovnovážný stav: příjem energie = tepelná ztráta kolektor dosahuje maximální teploty při daných podmínkách var teplonosné látky, tvorba páry a její pronikání do rozvodů
3/51
Stagnační chování (1) kapalina se roztahuje (2) dosahuje bodu varu (při daném tlaku), začíná var objevují se bublinky, sytá pára, vytlačování kapaliny z kolektorů (3) zbylá kapalina v kolektoru se odpařuje vyplňování objemu kolektoru sytou párou, vysoký odvod tepla (4) pára v kolektoru se přehřívá po vyprázdnění kolektoru stabilní stav za trvajícího sl. záření (5) pokles teploty kolektoru při poklesu slunečního záření kondenzace, kapalina vyplňuje kolektor
4/51
Stagnační chování
5/51
Vyprazdňování kolektorů dobré
špatné
6/51
Zpětná klapka
správně
špatně
7/51
Teplonosná kapalina odolná vůči cyklickým změnám skupenství provoz při nižším tlaku (200 – 300 kPa) nižší bod varu (120 – 140 °C)
ovlivněn pouze zlomek objemu kolektoru
vhodné pro kolektory s dobrým vyprazdňováním zpětná rozpustnost inhibitorů koroze odolná vůči tepelné degradaci provoz při vyšším tlaku (500 – 1000 kPa) vysoký bod varu (nedochází k vypařování)
ovlivněn celý objem kolektoru
vhodné pro kolektory se špatným vyprazdňováním
8/51
Ochrana proti problémům kolektory s dobrou vyprazdňovací schopností správné umístění zpětné klapky volba teplonosné kapaliny správný návrh expanzní nádoby – respektování tvorby páry správné dimenzování potrubí – funkce zásobníku kapaliny zpomalující průnik páry teplotní odolnost všech prvků solární soustavy (potrubí, izolace, ...) sklon kolektorů – fasádní kolektory výrazně omezují letní špičky drain back soustavy – samovolné vyprázdnění kapaliny kolektorů v době mimo provoz oběhového čerpadla
9/51
Teplonosné kapaliny - typy voda netoxická, nehořlavá, levná, vysoká tepelná kapacita, nízká viskozita omezený teplotní rozsah použití (sezónní soustavy), může způsobovat korozi či vylučování minerálních látek etylenglykol nemrznoucí směs s vodou, jedovatý, relativně nízká viskozita propylenglykol nemrznoucí směs s vodou, vysoká viskozita závislá na teplotě, nízká tepelná kapacita (o cca 20 % nižší než u vody), nutnost inhibitorů koroze, stabilizátorů a dalších přísad
10/51
Stagnace x propylenglykol cyklická změna skupenství vylučování inhibitorů na vnitřních stěnách registru absorbéru nutná zpětná rozpustnost inhibitorů koroze kapalné inhibitory degradace, zvýšení kyselosti (klesá pH), pevné usazeniny teplotní zátěž tepelný rozklad směsi při vysokých teplotách oxidační reakce, tvorba organických kyselin, pokles pH neutralizace zvýšenou zásaditostí původní kapaliny
11/51
Stagnace x propylenglykol běžné solární kapaliny pH=8.2
pH=6.8
ploché kolektory 150 °C
pravidelné zkoušení pH
trubkové kolektory 300 °C
12/51
Vlastnosti propylenglykol hustota
dynamická viskozita
měrná tepelná kapacita
objemová roztažnost
13/51
Kinematická viskozita
7 ν 2 [mm /s] 6
vyšší viskozita, laminární proudění (třecí ztráty, místní ztráty) propylenglykol+voda
5
výraznávoda závislost viskozity na teplotě, změna hydraulického chování soustavy při zahřátí (posun pracovního bodu)
4 3 2 1 0 20
40
60
t [°C]
80
100
14/51
Vliv teplonosné látky na přenášený výkon, výměníky tepla nižší tepelná kapacita, nižší tepelná vodivost, vysoká viskozita, laminární proudění = nižší výkon u výměníků tepla na účinnost oběhového čerpadla hydraulická charakteristika se nezmění (oproti vodě) pokles účinnosti čerpadla vlivem vyšších třecích ztrát v těle čerpadla na velikost expanzní nádoby objemová roztažnost propylenglykolu (50/50) je vyšší než u vody
15/51
Potrubí a tepelné izolace funkčnost musí odpovídat typu a použití soustavy životnost odolnost vůči tlakům a teplotám, stárnutí, atmosférickým vlivům energetická náročnost potrubí – nízké třecí ztráty (drsnost), vliv na spotřebu čerpací práce a el. energie pro pohon čerpadel tepelná izolace – nízké tepelné ztráty, vliv na účinnost a zisky soustavy, potřebu záložní energie
16/51
Potrubí - materiály plastové pouze bazénové aplikace EPDM, polypropylen, polyetylen s ochranou proti UV záření
17/51
Potrubí - materiály měděné potrubí nízká drsnost (k = 0,001 mm), neovlivňuje zpravidla součinitel třecí tlakové ztráty (laminární proudění) (+) jednoduché spojování (pájení, lisované spoje) (+) stejný materiál jako kolektory, nulový el.-chem. potenciál (–) cena, zvláště při d > 28 mm
18/51
Potrubí - materiály ocelové bezešvé vyšší drsnost (k = 0,02 mm), neovlivňuje zpravidla součinitel třecí tlakové ztráty (laminární proudění) (–) svařování, závity (– – –) pozinkované chemické reakce zinek-glykol (+) cena, zvláště při větších světlostech
19/51
Potrubí - materiály nerez ocel (vlnovec) (–) vyšší tlakové ztráty (–) cena (+) hygienický atest pro pitnou vodu (+) ohebné (ro = 2D), tvarovatelné (kombiflex) (+) rychlá a jednoduchá montáž
20/51
Návrh světlosti potrubí požadovaný průtok kolektorovým polem soustavy s nízkým průtokem (low-flow): 10 až 20 l/h.m2 vysoké ∆T na kolektorech 25 až 40 K soustavy s vysokým průtokem (high-flow): 50 až 100 l/h.m2 nízké ∆T na kolektorech 5 až 10 K
ekonomická rychlost, ekonomický tlakový spád rychlost v potrubí 0,2 až 0,6 m/s (analogicky jako u otopných soustav)
21/51
Návrh světlosti potrubí požadovaná max. světlost potrubí
2500 Kč/m 2000
světlosti Cu potrubí > 28 x 1.5 mm velmi drahé dělení primárního okruhu do větví
1500
1000
500
x 28 1 x1 , 35 5 x1 , 42 5 x1 ,5 54 x2 64 x2 76 x2 89 10 x2 8x 2, 5
28
požadovaný objem potrubí
12
x1
0
objem potrubí jako ochrana expanzní nádoby proti pronikání páry při stagnaci Vp = (0,5 až 1,0)Vk; Vp = VEN/2
22/51
Tepelná izolace - požadavky odolnost vůči max. teplotám v blízkosti kolektoru: stagnační teploty min. 170 °C vzdálenější místa: min. 120 °C odolnost vůči venkovnímu prostředí vlhkost - zvýšení tepelných ztrát, degradace izolace nenasákavá izolace UV záření – aditiva na bázi uhlíku ptáci, hlodavci - vyzobávání, vykusování
23/51
Tepelná izolace – materiály EPDM pěny, syntetický kaučuk (+) nízká tepelná vodivost (+) nenasákavost uzavřená struktura (0) UV ochrana (–) potrava pro ptáky teplotní odolnost: 170 °C krátkodobě 130 °C dlouhodobě
24/51
Tepelná izolace – skelná vlna skelná a minerální vlna (+) odolnost vůči UV záření (–) otevřená struktura nutnost uzavírat do krytu, hliníková folie, oplechování (+) dlouhodobá odolnost do 280 °C
25/51
Návrh tloušťky izolace legislativa pro tepelné soustavy vyhláška 193/2007 Sb. požadavek na minimální součinitel prostupu tepla U [W/m.K] U=
π d + 2 ⋅ s iz ln e 2λiz de 1
1 1 + ⋅ α e (d e + 2 ⋅ s iz )
Cu požadavek 0,035 0,040 de UN siz siz [mm] [W/m2.K] [mm] [mm] 18
0,15
25
34
22
0,15
32
43
28
0,18
29
38
35
0,18
38
48
42
0,18
46
59
26/51
Návrh tloušťky izolace 120
optimalizační výpočet (vyhláška 193/2007, § 2, odst. 3)
cena solárního tepla hospodárná tloušťka izolace
náklady [Kč/m]
cena izolace
100 80
celkem provoz
60 40 20
investice
0 6
9
13
20
25
tloušťka iz olace [mm]
typické hodnoty tloušťka izolace = světlost potrubí
de [mm]
siz [mm] *
< 22
20
28 až 42
30
> 42
siz = de
* ČSN EN 12976-2: Tepelné solární soustavy a součásti - Soustavy průmyslově vyráběné. Kapitola 12. ČNI 2006
27/51
Pojistná a zabezpečovací zařízení pojistný ventil chrání primární okruh solární soustavy proti nedovolenému tlaku
expanzní nádoba umožňuje změny objemu teplonosné kapaliny vlivem tepelné objemové roztažnosti bez nedovoleného zvýšení tlaku a zbytečných ztrát kapaliny způsobených otevřením pojistného ventilu a to ani v případě stagnace
neexistují zvláštní normy pro jejich návrh v solárních soustavách, analogie s klasickými topenářskými, úprava vzhledem k odlišnostem
28/51
(Pře)Tlaky v solární soustavě otevírací tlak pojistného ventilu pPV maximální provozní tlak pe
pe = pPV − 20 kPa
pro pPV ≤ 300 kPa
pe = 0,9 ⋅ pPV
pro pPV > 300 kPa
rozsah provozních tlaků soustavy ovlivňuje návrh expanzní nádoby p 0 = h s ⋅ ρ ⋅ g + pd
plnicí tlak p0 hydrostatický tlak ph
minimální provozní tlak v nejvyšším místě pd = 20 kPa až ... kPa
29/51
Pojistný ventil volba pojistného tlaku musí respektovat tlakovou odolnost prvků soustavy ovlivňuje velikost expanzní nádoby musí odpovídat volbě strategie potlačení nepříznivých účinků stagnace s změnou skupenství beze změny skupenství
30/51
Pojistný ventil stanovení průřezu použije se klasický topenářský návrh pro výpočet průtočného průřezu sedla ventilu Q& p mm2 So ≥ αv ⋅ K αv
výtokový součinitel (vlastnost poj. ventilu)
K
konstanta (k dispozici pro sytou vodní páru)
Qp
špičkový výkon kolektorů G = 1000 W/m2, tm - te = 0 K
31/51
Umístění pojistného ventilu pojistný ventil musí být umístěn v pojistném úseku zajištěn volný odtok, bez akumulace nečistot musí být pravidelně kontrolován česká norma v pojistném úseku nesmí být uzávěr pojistný úsek 20 x d zahraniční normy omezení délky pojistného úseku neznají (!)
32/51
Expanzní nádoba uzavřené soustavy tlaková expanzní nádoba s membránou
33/51
Expanzní nádoba - návrh odlišně od vytápění, rozšíření o další členy
pe + p b VEN = (Vs + V ⋅ β + Vk ) ⋅ pe − po
výběr EN s nejbližším vyšším objemem z řady
V ... celkový objem kapaliny v solární soustavě [l] Vs ... počáteční objem kapaliny v EN, Vs = 1-10 % V, min 2 litry Vk ... objem solárních kolektorů (vypaření) [l]
β ... součinitel objemové roztažnosti pro ∆t = tmax – t0 = 120 K pe ... maximální provozní tlak soustavy [kPa] po ... minimální provozní tlak soustavy (plnicí tlak) [kPa]
34/51
Součinitel objemové roztažnosti β=
v (t max ) − v (t 0 ) ρ (t 0 ) = −1 v (t 0 ) ρ (t max )
35/51
Oběhové čerpadlo - návrh stejný princip jako u otopných soustav návrh průtoku podle plochy kolektorů (měrný průtok l/h.m2) zvoleného režimu (high-flow, low-flow, podle výrobce) zohlednit vlastnosti teplonosné kapaliny (viskozita, hustota) spotřeba elektrické energie na pohon čerpadla pracovní bod v oblasti nejvyšší účinnosti čerpadla oběhová čerpadla s permanentními magnety ochrana vinutí proti kondenzaci
36/51
Oběhové čerpadlo - účinnost 5
0,5
H [m]
účinnost
účinnost
4
0,4
3
0,3
2
0,2 H-V
1
0,1
0
0 0
5
10
15
20
25
V [m3/h]
37/51
Čerpadlové skupiny čerpadlové stanice - hnací jednotky, kompaktní instalace, urychlení montáže oběhové čerpadlo uzavírací armatury zpětná klapka připojení expanzní nádoby pojistný ventil teploměry
POZOR: oběhové čerpadlo zpravidla výrazně předimenzované !
38/51
Výpočet tlakových ztrát třecí ztráty v potrubí místní ztráty (armatury, tvarovky, aj.) tlakové ztráty prvků (kolektorové pole, výměník)
stanovení referenčního provozního bodu P průtok nemrznoucí kapaliny (podle plochy kolektorů) tlakové ztráty pro uvažovanou střední teplotu (20 °C, 80 °C) návrh čerpadla
39/51
Výpočet tlakových ztrát tlakové třecí ztráty v potrubí hladké trubky (drsnost 0 mm) x vlnovcové trubky zpravidla laminární proudění (propylenglykol voda, tt = -32 °C) λ = 64/Re tlakové místní ztráty – problematické stanovení součinitelů ζ tabelované hodnoty získány pro automodelní oblast (turbulentní) zjednodušený výpočet 1,3 x třecí ztráty
40/51
Odplynění
41/51
Zpětná klapka zabraňuje samovolné zpětné cirkulaci v primárním okruhu
42/51
Zpětná klapka - umístění
správně
špatně
43/51
Výměníky tepla trubkový výměník uvnitř akumulační nádoby k = 120 až 300 W/m2K (laminární proudění, volná konvekce)
deskový protiproudý výměník vně zásobníku k = 1500 až 3500 W/m2K (vyvinuté turbulentní proudění na obou stranách) trubkový bazénový výměník k = 500 až 1000 W/m2K (laminární / turbulentní proudění)
44/51
Výměníky tepla nižší teplotní spád oproti jmenovitému nižší průtok výměníkem, vysoká viskozita, laminární proudění → nižší součinitel prostupu tepla
Q = k ⋅ S ⋅ ∆t m změna výkonu výměníku výkon při jmenovitých podmínkách (80/60 °C – 20°C, 1,5 m3/h) = 150 kW výkon při skutečných podmínkách (55/45 °C – 20°C, 0,4 m3/h) =
5 kW
výměníky o velké teplosměnné ploše pro odvedení potřebného výkonu vyšší vychlazení teplonosné kapaliny – vyšší účinnost solárních kolektorů
45/51
Regulátor diferenční – na základě porovnávání teploty v kolektoru a spotřebiči (zásobník, bazén), při překročení nastavené teplotní diference ∆T spíná oběhové čerpadlo, při poklesu vypíná
jedno-okruhový dvoj-okruhový, více-okruhový (složitější)
havarijní a zabezpečovací funkce při natopení zásobníku na 85 °C vypne oběhové čerpadlo při teplotě v kolektoru > 130 °C vypne oběhové čerpadlo
46/51
Funkce tk
∆t = tk - tz ∆ts = 6 až 10 K ∆tv = 2 až 4 K
tz
47/51
Akumulace pro solární tepelnou techniku nepravidelná dodávka tepla
nepravidelná spotřeba tepla
během dne během roku AKUMULAČNÍ ZÁSOBNÍK = SRDCE SOLÁRNÍ SOUSTAVY vysoce účinný kolektor + neúčinný zásobník = neúčinná soustava
48/51
Kritéria systémů akumulace hustota akumulace (kapacita) velikost akumulátoru (prostorové nároky) účinnost (ztráty, využitelnost akumulované energie - exergie) cena životnost bezpečnost ekologie
49/51
Typy vodních zásobníků podle účelu použití zásobníky teplé vody zásobníky otopné vody, zásobníky tepla, kombinované
podle teplosměnné plochy (počtu) nádrže (0), monovalentní (1), bivalentní (2), trivalentní (3), ...
podle tlaku tlakové netlakové (volná hladina)
podle periody akumulace krátkodobé (denní, několikadenní) dlouhodobé (sezónní)
50/51
Vodní zásobníky TV – teplosměnné plochy
nádrže
monovalentní
bivalentní
51/51
Vodní zásobníky – kombinované (TV+VYT)
s průtočným výměníkem
nádrž v nádrži
průtočný akumulační výměník
