ECČB, 19.9.2011 – Základní vzdělávací kurz pro energetické poradce
EFEKTIVNÍ ENERGETICKÝ REGION JIŽNÍ ČECHY – DOLNÍ BAVORSKO Solární tepelné soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění
Investice do Vaší budoucnosti Projekt je spolufinancován Evropskou Unií prostřednictvím Evropského fondu pro regionální rozvoj
1/113
Solární tepelné soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní ČVUT v Praze
2/113
Rozlišení termínů Sluneční energie
x
solární energie
sluneční: přicházející od Slunce, související se Sluncem sluneční záření, sluneční aktivita, dopadající sluneční energie solární: využívající sluneční záření solární kolektor, solární soustava, využitá solární energie
3/113
Sluneční energie - původ
původ sluneční energie v jaderných reakcích jaderná syntéza 564.109 kg/s H2 na 560.109 kg/s He při teplotách 106 K a tlacích 1010 MPa rozdíl hmot 4.109 kg/s se vyzáří ve formě energie (E = m.c2) 3,6.1026 W
1367 W/m2
4/113
Sluneční záření - pojmy
sluneční ozáření G [W/m2] (nesp.intenzita sl. záření) - zářivý výkon dopadající na jednotku plochy (hustota zářivého toku) dávka ozáření H [kWh/m2, J/m2] – hustota zářivé energie, hustota zářivého toku dopadající za určitý časový úsek, např. hodinu, den
5/113
Sluneční záření - pojmy
přímé sluneční záření (index „b“, beam) - dopadá na plochu bez rozptylu v atmosféře difúzní sluneční záření (index „d“, diffuse) - dopadá na plochu po změně směru vlivem rozptylu v atmosfére odražené sluneční záření (index „r“, reflected) - dopadá na plochu po změně směru vlivem odrazu od terénu, budov, aj.
6/113
Sluneční záření - pojmy odraz od molekul vzduchu, prachových částic, krystalků ledu
přímé záření
odražené záření
difúzní záření
odraz od terénu
zdroj: solarpraxis 7/113
Přímé : difúzní = 50 : 50 % 160
2
kWh/(m .měs)
120
přímé 80
40
difúzní
0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
měsíc 8/113
Sluneční energie v číslech zataženo
polojasno
převážně difúzní 0
200
jasno
převážně přímé 400
dopadající energie: jasný den zima
3 kWh/(m2.den)
jaro, podzim
5 kWh/(m2.den)
léto
8 kWh/(m2.den)
600
800
1000
výkon slunečního záření [W/m2] zdroj: solarpraxis
9/113
Sluneční energie v Evropě zdroj: PVGIS
10/113
Sluneční energie v České republice
zdroj: PVGIS
11/113
Sluneční energie v Německu Německo a Česká republika podobné podmínky: 1000 až 1200 kWh/m2 (s výjimkou jižního Německa) podobné solární soustavy podobné typy solárních kolektorů podobné roční tepelné zisky
zdroj: PVGIS
12/113
Sluneční energie v Rakousku
Sluneční potenciál Rakouska začíná tam kde potenciál ČR končí ...
zkušenosti z Rakouska přenášet opatrně !
zdroj: PVGIS 13/113
Geometrie slunečního záření
sklon plochy β azimut plochy γ zeměpisná šířka místa φ
čas, datum sluneční časový úhel τ deklinace δ výška slunce nad obzorem h azimut slunce γs
úhel dopadu paprsků θ
14/113
Geometrie slunečního záření deklinace -23.45°
22. prosince
23. září 0°
+23.45°
0° 21. března
21. června zdroj: solarpraxis 15/113
Geometrie slunečního záření výška Slunce 21. června
azimut Slunce
23. září 21. března Z 22. prosince
S
J V zdroj: solarpraxis 16/113
Optimální sklon ?
15-60°
jihovýchod - jihozápad
východ
jih
západ 17/113
Solární kolektory typy účinnost použití
18/113
Solární kolektor
Transparentní kryt - zasklení Sběrná trubka pro odvod tepla
Absorbér
Tepelná izolace Trubky s teplonosnou látkou Rám kolektoru
19/113
Solární kolektory - rozdělení
20/113
Nekryté solární kolektory teplotní hladiny do 40 °C vhodné pro sezónní aplikace, ohřev bazénové vody výrazně závislé na okolních podmínkách (teplota, proudění vzduchu)
21/113
Ploché kryté solární kolektory
1 rám 2 těsnění 3 transparentní kryt 4 tepelná izolace 5 absorbér 6 trubkový registr
22/113
Ploché solární kolektory výhodné z hlediska integrace do obálky budovy střecha fasáda
23/113
Ploché vakuové solární kolektory podtlak pro omezení tepelných ztrát (absolutní tlak 1 až 10 kPa) zatížení plochého krycího skla (opěrky)
sálání zadní strany absorbéru je nutné stínit 24/113
Vakuové trubkové solární kolektory jednostěnná vakuová trubka plochý absorbér
dvojstěnná vakuová trubka (Sydney) válcový absorbér
vakuum 1 mPa 25/113
Vakuové trubkové solární kolektory Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem přímo protékaný registr (PP)
velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru do kapaliny 26/113
Vakuové trubkové solární kolektory Jednostěnná vakuová trubka s plochým absorbérem tepelná trubice (TT)
velmi kvalitní přestup tepla z absorbéru na výparník tepelné trubice 27/113
Vakuové trubkové solární kolektory
zdroj: Viessmann 28/113
Vakuové trubkové solární kolektory Dvojstěnná vakuová Sydney trubka s válcovým absorbérem přímo protékaný registr (s kontaktní lamelou), PP
nezbytná tepelně vodivá teplosměnná lamela mezi absorbérem a trubkovým registrem 29/113
Vakuové trubkové solární kolektory Dvojstěnná vakuová Sydney trubka s válcovým absorbérem tepelná trubice (s kontaktní lamelou), TT
nezbytná tepelně vodivá teplosměnná lamela mezi absorbérem a trubkovým registrem 30/113
Vakuové trubkové Sydney kolektory kontaktní lamela
napojení PP potrubí
Sydney trubky
reflektor
zdroj: OPC 31/113
Vakuové trubkové Sydney kolektory
32/113
Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) odvod tepla do teplonosné kapaliny
sluneční energie pohlcená absorbérem
teplo přijaté výparníkem tepelné trubice 33/113
Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) zdroj: Viessmann
suché napojení tepelné trubice kondenzátor uložen v pouzdru pouzdro omývané teplonosnou látkou
34/113
Trubkové kolektory - tepelná trubice (TT) mokré napojení tepelné trubice kondenzátor tepelné trubice přímo omývaný teplonosnou látkou
35/113
Trubkové solární kolektory s reflektorem zrcadlový odraz difúzní odraz trvanlivost optické kvality odrazného plechu zachycování a kumulace sněhu (ledu), poničení trubek zvýšení aktivní plochy kolektoru (apertury) 36/113
Solární kolektory - princip
Odraz na absorbéru
Tepelná ztráta zasklením
Odvod tepla teplonosnou látkou pro využití
Odraz na zasklení Dopadající sluneční záření Tepelné ztráty zadními a bočními stěnami
37/113
Výkon a účinnost solárního kolektoru výkon kolektoru: Q& k = GAkτα − UAk (t abs − t e )
účinnost vztažená ke střední teplotě absorbéru: GAkτα − UAk (t abs − t e ) Q& k Q& k = η= & = GAk Q s GAk (t abs − t e ) η = τα − U G 38/113
Účinnost solárního kolektoru
( t abs − t e ) η = τα − U G
τ ... propustnost slunečního záření zasklení [-] α ... pohltivost slunečního záření absorbéru [-] U ... součinitel prostupu tepla kolektoru [W/m2.K] tabs ... střední teplota absorbéru [°C] te ... teplota okolí [°C]
39/113
Účinnost solárního kolektoru
~ (1-τα) ~ U(tabs-te)
40/113
Účinnost solárního kolektoru
( t abs(t m− t−e t)e ) ηη ==Fτα '⋅τα − U− U GG
F’ ... účinnostní součinitel kolektoru > 0.90 závisí na geometrii a tepelných vlastnostech absorbéru tm ... střední teplota teplonosné kapaliny v kolektoru tm = (tk1+tk2)/2 41/113
Účinnostní součinitel kolektoru F’ závisí na geometrických vlastnostech absorbéru geometrických vlastnostech absorbéru: rozteč trubek, průměr trubek, tloušťka spoje trubka-absorbér, tloušťka absorbéru fyzikálních vlastnostech absorbéru: tepelná vodivost absorbéru, tepelná vodivost spoje trubkaabsorbér proudění uvnitř trubek: přestup tepla ze stěny trubky do kapaliny celkový součinitel prostupu tepla kolektoru U
42/113
Vliv materiálu a geometrie absorbéru 1,0
1,0 měď (Cu) 390 W/(m.K)
W = 50 mm
hliník (Al) 250 W/(m.K)
0,8
W = 125 mm
0,8
ocel (Fe) 100 W/(m.K)
W = 200 mm
0,6
η [-]
η [-]
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0 0,00
0,0 0,00
0,05
0,10
0,15 2
(t m - t e)/G [m .K/W]
0,20
0,05
0,10
0,15
0,20
2
(t m - t e)/G [m .K/W] 43/113
Plastové absorbéry tepelná vodivost plastů: 0,2 W/(m.K)
měď: 390 W/(m.K)
pro zajištění dostatečného přenosu tepla: malé rozteče trubek silné stěny
44/113
Vliv spoje na účinnost přiložený
naklapnutý
45/113
Trubkové Sydney kolektory - lamela
dáno Sydney trubkou
( t m − t e ) η = F ' ⋅ τ ⋅ α − U ⋅ G
kontaktní lamela: krátká, vodivá, silná, s velmi těsným kontaktem 46/113
Vliv kontaktní lamely na účinnost (PP) Vakuové Sydney kolektory s přímo protékaným (PP) U-registrem
G > 700 W/m2
kontaktní lamela je zásadním prvkem Sydney kolektoru 47/113
Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) ČSN EN 12975-1,2 (v českém překladu) Zkoušky výkonové tepelný výkon a účinnost kolektoru modifikátor úhlu dopadu (vliv úhlu dopadu na výkon kolektoru) účinná tepelná kapacita kolektoru (setrvačnost kolektoru), časová konstanta
48/113
Zkoušení solárních kolektorů (podle EN) ČSN EN 12975-1,2 Zkoušky spolehlivosti vnitřní přetlak odolnost proti vysokým teplotám vystavení vnějším vlivům vnější tepelný ráz vnitřní tepelný ráz průnik deště (zasklené) mechanické zatížení odolnost proti nárazu vyhotovení protokolu o zkoušce (!) 49/113
Solar Keymark Certifikační značka kvality obecně pro výrobky pro solární tepelné soustavy dobrovolná certifikace třetí stranou, komplexní shoda s danou EN nejde o CE značku ! (povinná, dokument pro evropský trh, shoda s evropskými směrnicemi a normami), u běžných kolektorů nelze získat zdokumentovaná inspekce výroby (ISO 9000) inspektor vybírá jakýkoli kolektor ze skladu kontinuální shoda (stálý dohled - revize výrobku v časových intervalech) celkem 28 laboratoří zmocněných pro udělování značky informace: kolektor prošel VŠEMI zkouškami podle EN 12975-2
50/113
Výkon solárního kolektoru Q& k = M& ⋅ c ⋅ (t k2 − t k1 )
G
2500
[W]
plochý
Q k [W]
tk2 . M
trubkový s plochým absorbérem
2000
trubkový s válcovým absorbérem
1500
1000
tk1 Q& k = M& ⋅ c ⋅ (t k2 − t k1 )
500 G = 1000 W/m2
účinnost
Q& k η= G ⋅ Ak
0 0
20
40
60
80
100
120
t m - t e [K] 51/113
Účinnost solárního kolektoru (měření) y = a + bx + cx2
regresní parabola proložená naměřenými hodnotami
tm − te tm − te − a2 ⋅ G ⋅ η = η 0 − a1 ⋅ G G
η0
2
„optická“ účinnost [-], správně: účinnost při nulové tepelné ztrátě obecně η0 = F’τα
a1 a2
součinitel tepelné ztráty (lineární) [W/(m2.K)]
} součinitel tepelné ztráty (kvadratický) [W/(m .K )] 2
2
a1+a2(tm - te) = F’U
hodnoty η0, a1, a2 udává výrobce, dodavatel kolektoru, případně zkušebna na základě zkoušky v souladu s EN 12975-2 52/113
Plocha solárního kolektoru hrubá plocha: AG plocha apertury: Aa plocha absorbéru: AA
53/113
Plocha solárního kolektoru AA
AA
Aa
AA
Aa
Aa 54/113
Plocha solárního kolektoru
Aa = 0,9 AG
Aa = 0,75 AG
Aa = 0,6 AG
Aa = 0,8 AG 55/113
Křivka účinnosti = f (tm – te) nejčastěji pro 800 W/m2
56/113
Solární kolektory - aplikace
57/113
Výkon solárního kolektoru výkon solárního kolektoru (kolmý dopad, jasná obloha) Q& k = Ak [η 0G − a1 ⋅ (t m − t e ) − a2 ⋅ (t m − t e ) 2 ] instalovaný (nominální, jmenovitý) výkon solárního kolektoru
– pro definované podmínky (podle ESTIF): G = 1000 W/m2
te = 20 °C
tm = 50 °C
špičkový výkon kolektoru (bez tepelných ztrát)
Q& k = Akη 0G
G = 1000 W/m2 58/113
Modifikátor úhlu dopadu (Kθ, IAM) křivka účinnosti platí pro kolmý úhel dopadu θ = 0° x
během roku θ ≠ 0°
t m − te (t m − t e ) 2 η (θ ) = η0 (θ ) − a1 ⋅ − a2 ⋅ G G
incidence angle modifier (IAM) – vliv úhlu dopadu slunečního záření na účinnost kolektoru, optická charakteristika kolektoru, činitel úhlové korekce Kθ =
η 0 (θ ) F ' (τα )θ = η 0 (0°) F ' (τα ) n
osově symetrické kolektory:
Kθ (θ)
osově nesymetrické kolektory:
Kθ (θ) = KL(θL) ⋅ KT(θT) 59/113
Opticky osově nesymetrický kolektor Kθ = Kθ,L (θL). Kθ,T (θT)
60/113
Modifikátor úhlu dopadu (Kθ, IAM) trubkový kolektor s plochým absorbérem
plochý kolektor 1,6
1,6
1,4
1,4
1,2
1,2 1,0
K θ [-]
1,0
K θ [-]
K θ,T
K θ,L = K θ,T
0,8 0,6
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
0
10
20
30
40
50
θ [°]
60
70
80
90
K θ,L
0,8
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
θ [°] 61/113
Modifikátor úhlu dopadu (Kθ, IAM) trubkový kolektor s válcovým absorbérem bez reflektoru
trubkový kolektor s válcovým absorbérem s reflektorem
1,6
1,6
K θ,T
1,4
1,2
1,2
1,0
1,0
K θ [-]
K θ [-]
1,4
K θ,L
0,8
0,6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0 10
20
30
40
50
θ [°]
60
70
80
90
K θ,L
0,8
0,6
0
K θ,T
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
θ [°] 62/113
Výkon kolektoru v reálných podmínkách ze zkoušky tepelného výkonu podle EN 12975-2: křivka účinnosti (t m − t e ) 2 tm − te η = η0 − a1 ⋅ − a2 ⋅ G G
ze zkoušky modifikátoru podle EN 12975-2: křivka modifikátoru K θ,b
η 0 (θ ) = η 0 (0°)
π /2
K θ,d =
∫ K (θ ) sin 2θdθ 0
výkon kolektoru pro obecné podmínky (přímé, difúzní záření) Q& k = Aa [η 0 (K θ,bGb,T + K θ,dGd,T ) − a1 (t m − t e ) − a 2 (t m − t e ) 2 ] 63/113
Výkon kolektoru v reálných podmínkách 1000 sluneční ozáření
jasný den
plochý atmosférický
800 reálný trubkový vakuový
600
W/m
2
oblačný den
400
200
0 0:00
3:00
6:00
9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00
3:00
6:00
9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 64/113
Výkonnost solárního kolektoru k ploše apertury Aa 700 600
tm = 40 °C
400
2
kWh/m .rok
500
300 200 100 0 PK1
PK2
PK3
PK4
TP1
TV1
TV2
TV3
TV4
TR1
TR2
TR3 65/113
Výkonnost solárního kolektoru k hrubé ploše AG 700 600
tm = 40 °C
400
2
kWh/m .rok
500
300 200 100 0 PK1
PK2
PK3
PK4
TP1
TV1
TV2
TV3
TV4
TR1
TR2
TR3 66/113
Výkonnost solárního kolektoru k ploše apertury Aa
k hrubé ploše AG
700 600
tm = 80 °C
400
2
kWh/m .rok
500
300 200 100 0 PK1
PK2
PK3
PK4
TP1
TV1
TV2
TV3
TV4
TR1
TR2
TR3 67/113
Závěry Pro zhodnocení výkonnosti solárního kolektoru: nestačí pouze informace o typu kolektoru (plochý atmosférický, vakuový s plochým absorbérem, vakuový Sydney s reflektorem, vakuový Sydney bez reflektoru) nestačí pouze křivka účinnosti, je nutné znát i optickou charakteristiku (zvláště u trubkových kolektorů) je nutné znát provozní a klimatické podmínky v jakých bude solární kolektor nasazen je nutné znát konkrétní účel hodnocení – vztažení výkonnosti na plochu apertury nebo na hrubou plochu? 68/113
Porovnání ceny solárních kolektorů 25000 2
2
22 000 Kč/m
Kč/m bez DPH
2
18 200 Kč/m
20000
ploché atmosférické kolektory trubkové vakuové s plochým absorbérem trubkové vakuové Sydney bez reflektoru trubkové vakuové Sydney s reflektorem
15000
10000
7 000 Kč/m
14 000 Kč/m
2
2
5000
0 1 2
3
4
5
6
7
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38
69/113
Solární kolektory - aplikace nízkoteplotní (< 40 °C) ohřev bazénové vody (nezasklené rohože, neselektivní kolektory) sušení plodin (vzduchové) středněteplotní (< 90 °C) příprava teplé vody + přitápění (ploché kolektory s jedním zasklením a selektivním absorbérem, vakuové trubkové kolektory) vysokoteplotní (> 90 °C) technologické teplo (vakuové kolektory, vícenásobná zasklení, koncentrační kolektory) 70/113
Solární soustavy typy navrhování a bilancování hydraulická zapojení
71/113
Aktivní solární soustavy soustavy pro ohřev bazénové vody (do 35 °C) soustavy pro přípravu teplé vody (do 70 °C) kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění (do 80 °C) soustavy pro CZT s různým stupněm akumulace (sezónní) solární chlazení a klimatizace (do 150 °C) průmyslové solární soustavy (technologické teplo do 250 °C) solární tepelné elektrárny (vysokoteplotní, 300 až 600 °C) solární teplovzdušné soustavy (sušení, větrání) 72/113
Solární soustavy – podle plochy malé soustavy (< 20 m2) rodinné domy, malé firmy, ...
střední soustavy (< 200 m2) zdravotnická a sociální zařízení, pečovatelské ústavy, sportovní zařízení a plovárny, hotely, školy s celoročním provozem, ...
velké soustavy (> 200 m2) soustavy centrálního zásobování teplem, výtopny pro sídliště (výhodná kombinace s biomasou), potravinářský a chemický průmysl, sportovní stadiony, ...
73/113
Solární soustavy – podle průtoku s vysokým průtokem (high-flow):
50 až 90 l/h.m2
tradiční osvědčený provoz, pomalý náběh zásobníku, zvýšení teploty teplonosné látky v kolektoru o 8 až 15 K
s nízkým průtokem (low-flow):
10 až 20 l/h.m2
výrazně snížený průtok, zvýšení teploty až o 50 K, výhodné pouze ve spojení se stratifikačními zásobníky malé dimenze, malé ztráty, sériové zapojení kolektorů teplo o využitelné teplotě, snížení četnosti dohřevu, vyšší energetické výnosy (o 5 až 20%)
s proměnným průtokem (matched-flow)
10 až 40 l/h.m2
optimalizace provozu soustavy, např. regulace na konstantní výstupní teplotu 74/113
Bilance solární soustavy
75/113
Parametry solární soustavy Roční solární zisk [kWh/rok] dodaný do solárního zásobníku Qk dodaný do odběru (spotřebiče) – využitý zisk soustavy Qss,u
Roční úspora energie Qu [kWh/rok] závisí na skutečné provozní účinnosti nahrazovaného zdroje tepla ηnz jak ji určit ? je známa? spotřeba provozní el. energie pro pohon solární soustavy podklad pro výpočet úspory primární energie, úspory emisí
76/113
Parametry solární soustavy Měrný roční solární zisk qss,u [kWh/(m2.rok)] vztažený k ploše apertury kolektoru Aa měrná roční úspora nahrazované energie ekonomické kritérium:
úspora / m2
x
investice / m2
Solární pokrytí, solární podíl f [%]
f = 100 * využitý zisk / potřeba tepla
(procentní krytí potřeby tepla)
Spotřeba pomocné elektrické energie Qpom,el [kWh/rok]
odhad: provoz 2000 h x příkon el. zařízení (čerpadla, pohony, reg.) běžně do 1 % ze zisků ~ COP solární soustavy > 100 77/113
Navrhování solárních soustav snížení potřeby tepla - úsporná opatření provádět jako první !
příprava teplé vody úsporné armatury, zaregulování a zaizolování rozvodů, řízení cirkulace TV podle času a teploty vytápění nízkoenergetické a energeticky pasivní domy (zateplení, okna, mechanické větrání se zpětným získáváním tepla)
78/113
Navrhování solárních soustav analyzovat skutečnou potřebu tepla (!) příprava teplé vody dlouhodobé měření, sada krátkodobých měření, skutečná spotřeba tepla na přípravu (včetně ztrát) směrné hodnoty: běžná spotřeba TV do 40 l/os.den (60°C) vytápění ČSN EN ISO 13 790 – pokročilý, detailní výpočet denostupňová metoda – jednoduchá, pro účely hodnocení postačující 79/113
Stanovení spotřeby tepla na TV stávající budovy - dlouhodobé a věrohodné měření: dodané teplo na patě objektu, nebo zásobníku, včetně cirkulace celoroční údaje o spotřebovaném množství TV se zohledněním teploty SV a TV, ztráty odhadem alespoň týdenní měření průběhu spotřeby teplé vody měření energie zdroje pro přípravu TV, např. spotřeba plynu, odhad provozní účinnosti zdroje tepla (!)
nové, příp. stávající budovy – směrná čísla: střední standard 20 až 40 l/os.den (při teplotní úrovni 60°C) nepoužívat ČSN 06 0320: 82 l/os.den 80/113
Profil potřeby tepla na přípravu TV letní pokles (bytové domy) oproti zimnímu období: školní prázdniny, dovolená vyšší teplota studené vody chování uživatelů (letní sprcha, zimní vana)
25 %
81/113
Měření v BD Stodůlky 30000
50 odběr teplé vody teplota studené vody
25000
40 28 % 30
t SV [°C]
V [l/týden]
20000
15000 20
19,3 °C
10000 ∆t = 13 K 5000
10 6,4 °C
0
0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 82/113
Tepelné ztráty přípravy TV paušální přirážka
Q p ,c = Q p ,TV = QTV + Qz ,TV = (1 + z ) ⋅ QTV
Typ přípravy TV
z
Lokální průtokový ohřev
0.00
Centrální zásobníkový ohřev bez cirkulace
0.15
Centrální zásobníkový ohřev s řízenou cirkulací
0.30
Centrální zásobníkový ohřev s neřízenou cirkulací
1.00
CZT, příprava TV s meziobjektovými přípojkami, TV, CV
> 2.00
zdroj: TNI 73 0302 Energetické hodnocení solárních tepelných soustav – Zjednodušený výpočtový postup 83/113
Potřeba tepla na vytápění ČSN EN ISO 13790 – Energetická náročnost budov – Výpočet potřeby energie na vytápění a chlazení měsíční bilance, okrajové podmínky TNI 73 0329, TNI 73 0330 stupeň využití solárních a vnitřních tepelných zisků na základě akumulační schopnosti objektu (výpočet tepelné kapacity, časové konstanty)
denostupňová metoda – zjednodušené stanovení (TNI 73 0302) měsíční bilance, na základě venkovní teploty z výpočtové tepelné ztráty korekční součinitel ε : 0.75 (standard), 0.60 (nízkoenergetické), 0.50 (pasivní)
QVYT
(
)
t ip − t ep & = 24 ⋅ ε ⋅ Q z ⋅ (t iv − t ev ) 84/113
Tepelné ztráty otopné soustavy tepelné ztráty otopné soustavy Qz,VYT vlastní ohřev otopné vody (kombinovaný zásobník, část pro OS) rozvod otopné vody (tepelné ztráty do nevytápěných místností) setrvačnost otopné soustavy (přetápění, zvýšení dodávky energie)
podrobný výpočet (precizní, náročný na vstupní údaje) ČSN EN 15316-2-1: sdílení tepla („účinnost“ otopných ploch) ČSN EN 15316-2-3: rozvody tepla (otopné vody)
paušální přirážka - zjednodušené stanovení (TNI 73 0302)
Q p ,VYT = QVYT + Qz ,VYT = (1 + v ) ⋅ QVYT 85/113
Teoreticky využitelný zisk kolektorů teoreticky využitelný tepelný zisk Qk,u [kWh/m2] solárních kolektorů v daném období (den, měsíc)
Qk,u = 0,9 ⋅ηk ⋅ H T,den ⋅ Ak ⋅ (1 − p )
kWh/den
skutečná denní dávka slunečního ozáření plochy kolektoru HT,den tabulky v TNI 73 0302– jednotné klimatické údaje
účinnost solárního kolektoru v dané aplikaci ηk tepelné ztráty solární soustavy paušální procentní srážka p tabulky v TNI 73 0302 podle typu a velikosti solární soustavy 86/113
Účinnost solárního kolektoru účinnost solárního kolektoru ηk (střední denní, resp. měsíční účinnost)
( t k,m − t e,s t k,m − t e,s )2 − a2 ⋅ ηk = η0 − a1 ⋅ GT,m GT,m pro průměrnou teplotu kapaliny tk,m v kolektoru během dne tabulky v TNI 73 0302 podle typu a velikosti solární soustavy
pro průměrnou venkovní teplotu v době slunečního svitu te,s tabulky v TNI 73 0302 – jednotné klimatické údaje
pro střední sluneční ozáření GT,m během dne na uvažovanou plochu (sklon, orientace) ... předpoklad: jasný den tabulky v TNI 73 0302– jednotné klimatické údaje 87/113
Účinnost solárního kolektoru průměrná denní teplota kapaliny v kolektoru tk,m
Typ aplikace
tk,m [°C]
Předehřev teplé vody, pokrytí < 35 %
35
Příprava teplé vody, 35 % < pokrytí < 70 %
40
Příprava teplé vody, pokrytí > 70 %
50
Příprava teplé vody a vytápění, pokrytí < 25 %
50
Příprava teplé vody a vytápění, pokrytí > 25 %
60
88/113
Tepelné ztráty solární soustavy paušální srážka
Qk,u = 0,9 ⋅ηk ⋅ H T,den ⋅ Ak ⋅ (1 − p )
Typ solární soustavy
p
Příprava teplé vody, do 10 m2
0,20
Příprava teplé vody, od 10 do 50 m2
0,10
Příprava teplé vody, od 50 do 200 m2
0,05
Příprava teplé vody, nad 200 m2
0,03
Příprava teplé vody a vytápění, do 10 m2
0,30
Příprava teplé vody a vytápění, od 10 do 50 m2
0,20
Příprava teplé vody a vytápění, od 50 do 200 m2
0,10
Příprava teplé vody a vytápění, nad 200 m2
0,06 89/113
Návrh plochy solárních kolektorů Návrh plochy solárních kolektorů Ak pro daný návrhový den v typickém návrhovém měsíci klimatické a provozní okrajové podmínky
pro zajištění plného nebo částečného (podíl f) pokrytí potřeby tepla podle typu aplikace, podle místní dispozice
Qk,u = 0,9 ⋅ηk ⋅ H T,den ⋅ Ak ⋅ (1 − p ) = f ⋅ Q p ,c
90/113
Návrh plochy kolektorů: příprava TV rodinné domy návrhové měsíce duben a září
(100% návrhové pokrytí)
střední teplota teplonosné kapaliny tk,m = 40 °C odpovídá pokrytí cca 60 % roční potřeby tepla na přípravu TV bytové domy návrhový měsíc červenec
(100% návrhové pokrytí)
střední teplota teplonosné kapaliny tk,m = 40 °C odpovídá pokrytí 40 - 50 % roční potřeby tepla na přípravu TV 91/113
Návrh plochy kolektorů: příprava TV
92/113
Návrh plochy kolektorů: TV + VYT příprava TV a vytápění návrhové měsíce květen a září střední teplota teplonosné kapaliny tk,m = 50 °C uvážit smysluplné využití letních přebytků uvážit stupeň pokrytí v přechodových měsících (100 % ?)
93/113
Návrh plochy kolektorů: TV + VYT
94/113
Vliv plochy na dimenzování prvků průtok solární soustavou návrh světlosti potrubí návrh tloušťky izolace
tlakové ztráty solární soustavy, členění a hydraulika okruhů oběhové čerpadlo
objem solární soustavy velikost expanzní nádoby, případně nárazníkové nádoby
nosné konstrukce výměník tepla (výkon) 95/113
Bilancování tepelných zisků Bilancování solární soustavy (TNI 73 0302) pro danou plochu solárních kolektorů Ak pro všechny měsíce roku (referenční dny, okrajové podmínky roku)
Qss,u = min (Qk,u; Qp,c) z porovnání v jednotlivých měsících vyplývá využitelnost zisků z kolektorů pro krytí potřeby tepla přebytky nelze započítat (!) 96/113
Výpočtový program Bilance SS 5.0 (Excel)
97/113
Výpočtový program Bilance SS 5.0 (Excel)
podle TNI 730302 zpracoval ing. Bořivoj Šourek
[email protected] ke stažení na: http://solab.fs.cvut.cz 98/113
Solární soustavy – základní parametry měrné využité solární zisky qss,u [kWh/m2.rok] solární podíl
Qss ,u Qss ,u Qd f= = 1− = Q p ,c Q p ,c Qs ,u + Qd
[-]
99/113
Bilance solární přípravy teplé vody qss,u = 400 kWh/m2
f = 60 %
100/113
Bilance solární přípravy teplé vody qss,u = 600 kWh/m2
f = 40 %
101/113
Bilance solární přípravy teplé vody qss,u = 300 kWh/m2
f = 65 %
s rostoucím solárním pokrytím klesají měrné zisky soustavy 102/113
Bilance solární přípravy teplé vody Q TV , Q k [kWh]
3500
65 % 60 % 40 %
3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
měsíc 103/113
Solární soustavy pro přípravu TV rodinné domy (3 až 8 m2; 200 až 400 l), solární podíl 50 až 70 % solární zisky
300 až 400 kWh/m2.r
bytové domy, ústavy, hotely, ... (od 25 až 200 m2; 1 až 8 m3), solární podíl 40 až 50 % solární zisky
400 až 500 kWh/m2.r
předehřev teplé vody solární podíl 20 až 40 % solární zisky
500 až 600 kWh/m2.r 104/113
Kombinované solární soustavy (TV+VYT) rodinné domy (6 až 12 m2; 500 až 2 000 l) solární podíl:
solární zisky
standardní domy
10 až 20 %
nízkoenergetické, pasivní domy
20 až 40 %
250 až 350 kWh/m2.r
bytové domy (40 až 200 m2; 4 až 16 m3) solární podíl 10 až 20 % solární zisky
350 až 450 kWh/m2.r 105/113
Ohřev bazénové vody celoroční využití – kryté bazény sezónní využití – otevřené, venkovní bazény pokrytí tepelných ztrát z hladiny bazénu, ohřev přiváděné čerstvé vody bazén jako akumulátor tepla kombinace přípravy teplé vody a ohřevu bazénové vody solární zisky nad 500 kWh/m2.r
106/113
Ekonomika RODINNÝ DŮM – SOLÁRNÍ PŘÍPRAVA TV: elektrická energie: 2940 Kč/MWh (D45, přímotop20), včetně DPH 4 m2 kolektorů, investice 85 tis. Kč, včetně DPH měrné využité zisky 400 kWh/m2.rok úspora 1400 kWh/rok = 3340 Kč/rok (1. rok) úroková sazba = diskont
4%
0%
růst cen 8 % návratnost
13 let
11 let
ZÚ: návratnost
6 let
6 let 107/113
Ekonomika RODINNÝ DŮM – SOLÁRNÍ PŘÍPRAVA TV: plyn: 1240 Kč/MWh (spalné teplo), včetně DPH 4 m2 kolektorů, investice 100 tis. Kč, včetně DPH měrné využité zisky 350 kWh/m2.rok úspora 1400 kWh/rok / 75 % účinnost = 2315 Kč/rok (1. rok) úroková sazba = diskont
4%
0%
růst cen 8 % návratnost
25 let
ZÚ: návratnost
15 let
18 let 12 let 108/113
Ekonomika RODINNÝ DŮM – KOMBINACE VYT+TV: plyn: 1240 Kč/MWh (spalné teplo) 8 m2 kolektorů, investice 200 tis. Kč, včetně DPH měrné využité zisky 275 kWh/m2.rok úspora 2200 kWh/rok / 90 % účinnost = 2933 Kč/rok (1. rok) úroková sazba = diskont
4%
0%
růst cen 8 % návratnost
32 let
22 let
ZÚ: návratnost
23 let
17 let 109/113
Ekonomika BYTOVÝ DŮM: plynová kotelna (CZT): 550 Kč/GJ 80 m2 kolektorů, investice 1,3 mil. Kč (15 tis. Kč/m2) měrné využitelné zisky 450 kWh/m2.rok úspora 36 MWh/rok = 71 tis. Kč/rok (1. rok) diskont
1%
5%
růst cen
10 %
10 %
návratnost <10 let
12 let
Zelená úsporám: návratnost 4-5 let (dotace 25 000 Kč/byt) 110/113
Internetové zdroje http://www.solarnispolecnost.cz
http://www.solar-info.cz
111/113
Evropské dny Slunce veřejné akce, happeningy semináře, přednášky, diskusní fóra exkurze, dny otevřených dveří 2011: 40 akcí po celé ČR
http://www.evropskednyslunce.cz 112/113
Kontakt Československá společnost pro sluneční energii (ČSSE) Novotného lávka 5, 116 68 Praha 1 Česká republika
[email protected]
Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze Technická 4, Praha 6
[email protected] 113/113
