SIMULACE A VERIFIKACE ENERGETICKÝCH SYSTÉMŮ S OPTICKÝMI RASTRY, URČENÝCH PRO BIOLOGICKÉ APLIKACE

Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích Ústav fyzikální biologie

Doktorská disertační práce

SIMULACE A VERIFIKACE ENERGETICKÝCH SYSTÉMŮ S OPTICKÝMI RASTRY, URČENÝCH PRO BIOLOGICKÉ APLIKACE

Vypracoval: Ing. Jozef Korečko

V Třeboni 2010

Školitel: Ing. Vladimír Jirka, CSc. Zaměstnavatel: ENKI, o.p.s. Dukelská 145 Třeboň, 379 01

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ O AUTORSTVÍ: Prohlašuji, že svoji disertační práci jsem vypracoval samostatně pouze s použitím pramenů a literatury uvedených v seznamu citované literatury. Prohlašuji, že v souladu s § 47b zákona č. 111/1998 Sb. v platném znění souhlasím se zveřejněním své disertační práce, a to v nezkrácené podobě elektronickou cestou ve veřejně přístupné části databáze STAG provozované Jihočeskou univerzitou v Českých Budějovicích na jejích internetových stránkách, a to se zachováním mého autorského práva k odevzdanému textu této kvalifikační práce. Souhlasím dále s tím, aby toutéž elektronickou cestou byly v souladu s uvedeným ustanovením zákona č. 111/1998 Sb. zveřejněny posudky školitele a oponentů práce i záznam o průběhu a výsledku obhajoby kvalifikační práce. Rovněž souhlasím s porovnáním textu mé kvalifikační práce s databází kvalifikačních prací Theses.cz provozovanou Národním registrem vysokoškolských kvalifikačních prací a systémem na odhalování plagiátů.

Datum.

.

. 2010

................................ Ing. Jozef Korečko

1

Anotace Práce hodnotí chování systémů, využívajících sluneční energii a posuzuje míru shody mezi reálnými systémy a jejich dynamickými matematickými modely. Byly porovnávány systémy, na jejichž vývoji jsem se podílel – biotechnologická hala s koncentračními biokultivátory v Nových Hradech a objekt modulárního skleníku v Třeboni. Simulace byly vytvořeny v softwarovém prostředí TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation) výsledky byly porovnávány se skutečnými hodnotami, naměřenými na objektech. Pro matematický popis objektu byly vyvinuty a začleněny do programu vlastní moduly původních českých technických prvků (např. kolektory SOLARGLAS, optické rastry). Byly porovnávány děje, probíhající v reálném čase popisující dynamické chování objektů, zejména setrvačnosti a rychlosti vyvolaných změn. Tyto děje ovlivňuje mnoho parametrů (rozložení akumulačních hmot, velikost průsvitných ploch, orientace, zastínění…). První část obsahuje popis měření v samotných objektech a tepelných poměrů v těchto objektech. Ve druhé části je těžiště práce kladeno na vytvoření matematických modelů sledovaných objektů, postihující jejich podstatné funkce a technologie. Výsledkem je kvalifikované zhodnocení energetických poměrů v systémech, verifikace matematických modelů, tj. porovnání nasimulovaných a naměřených hodnot a upřesnění parametrů, vstupujících do modelů a doporučení pro uživatele rastrových systémů.

The work is evaluated a behaviour of systems utilizing a solar radiation and also looking on concordance rate between a real systems and their dynamics mathematical models. There are compare systems – biotechnology hall with concentration photobiorectors in Nové Hrady and object of modular greenhouse in Třeboň. The simulation was created in TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation) program and a result from simulation was compare with real data measured in these objects. The original Czech technical components (concentration collector SG1 and passive optical rasters) were implements to TRNSYS like owners module for better describe of monitored objects. It was compared process which running in real time and describes dynamics behaviour of objects, mainly inertia and speed of developed changes. A lot of parameters influence of these processes (lay of accumulation mass, size of translucent area, orientation, shading ...). The first part of thesis consist of describe of measurement and thermal rate in monitored objects. The focus of work in the second one was aim for build of mathematical models of the monitored objects, describe its cardinal functions and technologies. The result is qualification evaluation of energy rates in systems and verifications of mathematical models, so it is mean a compare of calculated and measured values, also correction of parameters inputs to models and recommendation for user of the raster systems.

2

Poděkování Úvodem bych chtěl poděkovat všem lidem, kteří my umožnili věnovat se této práci a kteří mi odborně radili a dávali věcné připomínky v průběhu experimentální činnosti a také v průběhu kompletovaní výsledků a sestavování čistopisu. Jmenovitě bych rád poděkoval mému školiteli Ing. Vladimíru Jirkovi, CSc. a řediteli společnosti ENKI, o.p.s. doc. RNDr. Janovi Pokornému, CSc.

3

Obsah Anotace ........................................................................................................................................................ 1 Poděkování .................................................................................................................................................. 3 Obsah ........................................................................................................................................................... 4 1

Cíl práce .............................................................................................. Chyba! Záložka nie je definovaná.

2

Rešerše – současný stav řešené problematiky ...................................... Chyba! Záložka nie je definovaná. 2.1

Simulační programy .............................................................................................................................. 9

2.2 Fototrofní řasové kultivátory .............................................................................................................. 11 2.2.1 Sinice a řasy ................................................................................................................................... 14 2.2.2 Podmínky pro kultivaci řas ............................................................................................................. 16 2.3 3

Stavební objekty ................................................................................................................................. 18

Použitá technologická zařízení ............................................................................................................19 3.1

Biotechnologická hala......................................................................................................................... 19

3.2

Experimentální skleník ........................................................................................................................ 21

3.3

Biokultivátor – technologická jednotka Biotechnologické haly .......................................................... 23

3.4

Monitorovací systémy......................................................................................................................... 23

3.5 Optické rastry – společný jmenovatel studovaných systémů.............................................................. 24 3.5.1 Rastry pasivní ................................................................................................................................. 25 3.5.2 Rastry aktivní - fokusující ............................................................................................................... 25 3.6 Teoretická propustnost skla ................................................................................................................ 26 3.6.1 Základní části koncentračního kolektoru ....................................................................................... 27 4

Dosažené výsledky na objektu biotechnologické haly ..........................................................................31 4.1 Měření energetických parametrů v biotechnologické hale................................................................. 31 4.1.1 Hlavní součásti kultivačního systému a princip činnosti (střešního, fasádního) ............................ 31 Popis funkce: ........................................................................................................................................... 34 4.1.2 Energetické systémy a jejich funkce v biotechnologické hale ....................................................... 37 4.1.3 Systémy měření a regulace v biotechnologické hale ..................................................................... 40 Měření a Regulace (MaR) kultivace řas ................................................................................................... 40 MaR solární systém ................................................................................................................................. 41 4.1.4 Zhodnocení výsledků měření energetických toků v hale ............................................................... 42 4.2 Simulace biotechnologické haly a biokultivárorů ............................................................................... 46 4.2.1 Matematické modely sestavené pro biotechnologickou halu ....................................................... 46 4.2.1.1 Popis modulu solárního systému tvořeného plochými kolektory Heliostar......................... 47 4.2.1.2 Popis modulu solárního systému, tvořeného transparentními koncentračními kolektory střešními (a fasádními) ............................................................................................................................ 47 4.2.1.3 Popis modulu biokultivátorů ................................................................................................ 48 4.2.1.4 Popis modulu akumulace tepla ............................................................................................ 49 4.2.1.5 Popis modulu budovy ........................................................................................................... 50 4.2.2 Simulace energetických bilancí při projektování objektu .............................................................. 51 4.2.3 Simulace energetických bilancí jednotlivých technologií a jejich porovnání s naměřenými hodnotami .................................................................................................................................................... 53 4.2.4 Zhodnocení výsledků simulací ....................................................................................................... 60

4

5

Dosažené výsledky v experimentálním skleníku .................................................................................. 62 5.1 Měření energetických parametrů v experimentálním skleníku .......................................................... 62 5.1.1 Stavebně – technické řešení skleníku ............................................................................................ 62 5.1.1.1 Návrh barevného řešení vnitřních akumulačních stěn ........................................................ 64 5.1.2 Měření, regulace a archivace dat v experimentálním skleníku v Třeboni ..................................... 66 5.1.2.1 MaR teploty v prostorech .................................................................................................... 67 5.1.2.2 MaR plochých vakuových kolektorů .................................................................................... 67 5.1.2.3 MaR koncentračních kolektorů ............................................................................................ 67 5.1.2.4 MaR tepelného čerpadla ...................................................................................................... 68 5.1.2.5 MaR elektrického přitápění akumulačních nádrží................................................................ 68 5.1.2.6 MaR vzduchotechnické jednotky ......................................................................................... 68 5.1.2.7 Měření dalších veličin ve skleníku ........................................................................................ 68 5.1.3 Stanovení účinnosti jednotlivých typů kolektorových systémů a stanovení jejich charakteristických křivek účinnosti .............................................................................................................. 70 5.1.3.1 Střešní a fasádní koncentrační kolektory s Fresnelovými čočkami (SG3, SG2 a SF1) ........... 71 5.1.3.2 Ploché vakuové kolektory .................................................................................................... 74 5.1.4 Měření optických vlastností Fresnelovy čočky .............................................................................. 76 5.2 Simulace energetických toků ve skleníku............................................................................................ 80 5.2.1 Předrealizační simulační výpočty ................................................................................................... 81 5.2.1.1 Zhodnocení výsledků simulací.............................................................................................. 84 Zhodnocení výsledků .......................................................................................................................... 87 5.2.2 Simulace, podílející se na vývoji skleníku, prováděné v průběhu jeho monitorování ................... 88 5.2.2.1 První porovnání naměřených a vypočtených hodnot .......................................................... 89 5.2.2.1.1 Výsledky .......................................................................................................................... 90 5.2.3 Simulace solárních soustav po úpravě vstupních parametrů jednotlivých kolektorů ................... 96 5.2.4 Měření a simulace energetických bilancí skleníku v přechodovém období ................................ 101 5.2.4.1 Výsledky experimentálního měření ................................................................................... 103 5.2.4.2 Výsledky porovnávající měřená a vypočtená data ............................................................. 106 5.2.5 Vyhodnocení ročních energetických bilancí skleníku .................................................................. 109 5.2.6 Porovnání energetických bilancí skleníku v rozdílných klimatických podmínkách ...................... 113

6

Zhodnocení ...................................................................................................................................... 118

5

1 Cíl práce Cílem práce „SIMULACE A VERIFIKACE ENERGETICKÝCH SYSTÉMŮ S OPTICKÝMI RASTRY, URČENÝCH PRO BIOLOGICKÉ APLIKACE“ bylo posouzení využitelnosti simulačního programu TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation) v projekční činnosti složitějších energetických systémů určených pro biologické aplikace. Tohoto cíle bylo dosaženo experimentálním porovnáním výstupů z matematického modelování energetických toků v systémech využívajících dopadající sluneční radiace s reálními hodnotami získanými měřením na dvou samostatných objektech. Tyto objekty jsou svojí koncepcí a konstrukcí v stavební a technické praxi unikátní. Oba systémy jsou založeny na využívání původních českých skleněných lineárních optických rastrů. Na jejich návrhu, technickém řešení, optimalizaci a realizaci jsem se aktivně podílel. Jedná se o: − −

zařízení - systém biokultivátorů v biotechnologické hale v Nových Hradech budova - experimentální modulární skleník v Třeboni

Unikátnost těchto objektů dosvědčuje i skutečnost, že koncentrační biokultivátor je patentově chráněný a modulový skleník s aktivními a pasivními skleněnými rastry je chráněn několika užitnými vzory. Ve shodě s cílem práce je disertace zaměřena na matematické modelování koncentračního biokultivátoru a experimentálního skleníku, které využívají aktivních i pasivních skleněných lineárních optických rastrů. Mým hlavním cílem bylo sestavení matematického modelu těchto systémů v programovém prostředí TRNSYS. Model je zaměřen na hodnocení energetických bilancí celých objektů. biotechnologická hala i experimentální skleník byly od samotného návrhu koncipovány a projektovány tak, aby v nich byly vytvořeny co nejlepší podmínky pro intenzivní využití energie Slunce v kultivačním resp. pěstebním procesu. Proto je nezbytné se na objekty a technologie v nich umístěné dívat jako na jeden ucelený systém. Výsledky energetických bilancí získané výpočtem jsem porovnával s hodnotami naměřenými v provozním režimu obou sledovaných objektů. Dílčími cíly bylo: − −

−

zhodnocení přínosů nových metod navrhování, projektování a predikce chování technologických systémů a staveb, použitelných v biologických aplikacích, začlenění systémů koncentračních kolektorů do programového prostředí TRNSYS pro přesnější výpočet dynamického chování soustav, využívajících těchto technologií. Základem je měření tepelně-technických vlastností solárních systémů umístněných v experimentálním skleníku a měření optických vlastností lineární Fresnelovy čočky na simulátoru slunečního svitu, zhodnocení energetické bilance systémů pro kultivaci řas za sledovaná období. Energetická bilance je zhodnocena na základě sestaveného matematického modelu v simulačním prostředí TRNSYS a naměřených dat z monitorovacího systému. Hodnocení slouží zároveň jako verifikace pro využití v reálných technických objektech, 6

− − −

−

zhodnocení energetických toků v solárních a otopných systémech skleníku i budovy jako celku v rámci krátkodobých i dlouhodobých experimentů, využití výsledků matematického modelování pro návrh stavebních konstrukcí, otopného systému a dimenzování akumulačních nádrží, využití matematických modelů systémů pro predikci chování objektu v odlišných klimatických podmínkách, standardně definovaných TRY (Test Reference Year) a návrhu přizpůsobení stavebního řešení těmto podmínkám, navrhnout obecně platná doporučení při projekci solárních systémů a využívaní simulačního programu TRNSYS.

Disertační práce je rozdělena do pěti tematických okruhů. První okruh je věnován rešerši nejčastěji používaných simulačních prostředků, biokultivačních zařízení a stavebních objektů, využívajících sluneční energii. Výsledkem jsou podrobné popisy a zdůvodnění vybraných řešení, prostředků a technologií, uplatněných při realizaci systémů. Druhý okruh je věnován stručnému představení technologických zařízení, které byly objektem zájmu v této práci. Třetí okruh je věnován popisu experimentální činnosti a dosaženým výsledkům na systémech v biotechnologické hale Ústavu fyzikální biologie v Nových Hradech. Čtvrtý okruh je věnován popisu experimentální činnosti a dosaženým výsledkům v modulárním skleníku v Třeboni. Součástí třetího a čtvrtého okruh jsou kapitoly popisné a výsledkové. Popisné kapitoly představuji problematiku, které jsem se věnoval a popisují sledované technologie a stavby. Vzhledem k tomu, že vývoj, návrh, realizace a monitoring těchto systémů byly náplní mé práce (spoluautorství na užitných vzorech CZ 18543 U1, CZ 18955 U1), jsou tyto kapitoly psané v širším měřítku. Popis je poměrně podrobný a obsahuje všechny funkční závislosti, které tvoří základ pro stavbu matematického modelu v TRNSYSu. Výsledková část hodnotí výstupy, získané z výpočtů v simulačním prostředí, které jsou následně konfrontovány s měřenými hodnotami získanými monitoringem. Tyto dvě kapitoly jsou psány v následující struktuře: − měření energetických parametrů v sledovaných objektech, − využití simulačního programu TRNSYS při projektování objektů, − doplnění simulačního programu o optické a energetické účinky rastrů (jen v kapitole věnované experimentálnímu skleníku), − porovnání skutečného chování sledovaných systémů s výsledky simulací. Pátý okruh hodnotí výsledky stanovených cílů.

7

2 Rešerše – současný stav řešené problematiky Díky rozvoji výpočetní techniky nacházejí v současné době stále větší využití matematické modely energetických systémů. Jejich aplikace je zajímavá především při predikci různých stavů a dějů systémů, které jsou dynamické (měnící se v čase). Matematickým modelem lze simulovat chování sledovaného systému při měnících se okrajových podmínkách, které tento systém ovlivňují. V biologických aplikacích se matematické modelování rozšířilo a úspěšně využívá. Z rešerše zaměřené na kultivaci řas plyne, že se publikované práce věnují modelování dějů, které přímo souvisí nebo mají vliv na růst nebo produkci určité látky v řasách. Modeluje se rozložení intenzity světla v profilu trubek, kterými protéká řasová suspenze (Molina et. al 1999), modeluje se proudění suspenze v kultivátoru (Perner-Nochta and Posten 2007), produkce biomasy v závislosti na teplotě a intenzitě osvětlení (Arnaund et. al 2003, Papáček et al 2007). Souvisejícími tématy jsou měření a optimalizace kultivačních procesů a podmínek v různých typech biokultivátorů pro odlišné druhy řas (Molina et. al 1994, Rebolloso Fuentes et. al 1999, Ning Zou and Richmond 1999, Molina et. al 2001Richmond and Cheng-Wu 200, Fernandez et. al 2003) . Práce berou biokultivátor jako hotové zařízení, které je jen prostředkem potřebným ke kultivaci řas. V mé práci je biokultivátor pojat jako předmět výzkumu pro testování stavebních simulačních programů, při dobře dokumentovaných energetických tocích v objektech, které umožňují srovnání simulačních a reálných výstupů. Z rešerší prací věnovaných predikci energetického chování skleníků plyne, že jsou vytvářeny numerické modely, vycházející z energetických bilancí sledovaných jevů, jako například simulace vytápění s využitím tepelných clon a geotermální energie (Ghosal and Tiwari, 2004), nebo klimatické modely, které vytvořili Takakura et al. (1971), Kindelan (1980), Avissar and Mahrer (1982) či model pro akumulaci tepla do hmotné zdi (Wei Chen and Wei Liu, 2004). V současné době známe skleníky využívající aktivně i pasivně sluneční energii. Vhodným využitím pasivních prvků v konstrukci skleníku je možné snížit v zimním období jeho spotřebu na vytápění a v letním období snížit jeho energetickou zátěž od dopadajícího slunečního záření. Bylo proto nutné najít optimální konstrukční řešení stavby s ohledem na co nejefektivnější využití solární energie. Navrhli jsme asymetrický tvar střechy s orientací hřebene východ-západ. Práce (Sethi 2008) nám správnou volbu potvrdila. Z hlediska stavebních konstrukcí je nutné zajistit co možná největší akumulační hmoty. To může být dosaženo několika způsoby (Santamoris et al., 1994). Pro maximální možnou absorpci přebytečné dopadající energie na plochy stěn a podlah je důležitý výběr barvy. Při využívání skleníku k pěstebním účelům je vhodná modrá a červená barva, které odrážejí ve vlnové délce cca 470nm a cca 650nm. Tyto vlnové délky jsou absorbovány v chloroplastu fotosystémem I (PSI) resp. fotosystémem II (PSII) a využívány k fotosyntéze (Kirk 1994). Velký prosklený otvor na jižní fasádě přináší samozřejmě v letních měsících přebytek energetických zisků v interiéru, které je nutné vhodným chladícím systémem odvést (Sethi and Sharma, 2007). Komplexní přehled aktivního využívání sluneční radiace ve sklenících se stručním popisem uvádí Santamouris (1993). Využití lineární Fresnelovy čočky se uvádí v mnoha publikacích (Nelson et al., 1975; Kritchman et al., 1979; Nabelek et al., 1991; etc.). Možná aplikace těchto čoček je posuzována pouze teoreticky, případně jsou čočky vyrobeny z akrylátu, který není příliš vhodný pro integraci do obálky budovy pro jeho malou odolnost vůči UV záření (Tripanagnostopoulos et al., 2007).

8

V následujícím soupisu jsou předkládány možné simulační prostředky a související technická řešení biokultivátorů a stavebních objektů skleníkového typu. Jsou předložena a zdůvodněna kritéria, která musí systémy splňovat a dále jsou ukázány přístupy, které by měli projektanti zohlednit.

2.1 . Simulační programy Pro výpočty energetických toků a bilancí technologických systémů a staveb jsou vývojovými pracovišti nejčastěji používány následující simulační programy: − ESP-r − Fluent − TRNSYS ESP-r je simulační software, který je složen z několika programů, integrovaných pod jedním pracovním prostředím, určený k simulacím tepelných, optických a akustických vlastností budov a k jejich hodnocení. Program dovoluje také popsat budovu z hlediska materiálů použitých při výstavbě daného objektu. Materiály jsou komplexně hodnoceny z hlediska ekologické zátěže od výroby přes dobu životnosti až po likvidaci (hodnocení životního cyklu budovy). Software dále umožňuje sledovat toky energií vstupujících do stavby z různých energetických zdrojů, proudění vzduchu a změny jeho vlhkosti v budově. Program je využíván pro hloubkovou analýzu faktorů, které ovlivňují energetickou bilanci budovy i její vnitřní klima. Program je nepřetržitě vyvíjen od roku 1974. Jeho tvůrci přistupovali k vytvoření matematického modelu chování budov především z následujících hledisek: − reálný popis fyzikálních vlastností studovaného systému matematickým aparátem dodržení reálnosti sledovaného fyzikálního systému, − dosažení vysoké rychlosti vyhodnocení navrhnuté koncepce řešení, − zjištění faktorů, které nejvíce ovlivňují sledovaný systém a jejich následných optimalizací. Pomocí ESP-r je možné simulovat reálné děje s maximální precizností, která umožňuje projektantům objevit komplexní závislosti mezi tvarem budovy, její konstrukcí, vnitřním zařízením, vnitřním prouděním vzduchu a regulací. Program pracuje na principu výpočtu rovnic, popisujících sledovaný systém, které vzájemně interagují v čase v závislosti na počátečních podmínkách. Mezi ně patří meteorologická data, systém regulace, způsob využívaní daného prostoru, atd. Jednotlivé programy ESP-r jsou integrované pod centrálním Project Manager, který načítá podpůrné databáze, simulátory, výpočetní nástroje a tři Obr. 2.1 PrintScreen programu ESP-r – základní aplikace pro CAD, vizualizaci a výstupní pracovní prostor určený k definování výsledky simulací. konstrukčních a tepelnětechnických vlastností Program je využívaný především ke sledovaného objektu komplexním výpočtům tepelně-technických vlastností budov. V čase zadání této práce (rok 9

2003) nebylo možné v tomto simulačním prostředí sestavit a počítat energetické bilance technologických systémů. V současné době je již program uzpůsoben i pro sestavování jednodušších technologických celků, jako jsou například solární soustavy. FLUENT je dnes jedním z nejvýkonnějších softwarových nástrojů v oblasti simulací dynamických dějů v tekutinách a plynech (Computational Fluid Dynamics - CFD). Díky různorodé platformě softwarů je Fluent využíván v mnohých průmyslových odvětvích jako je letectví, automobilový průmysl, medicína, zdravotnictví, elektronika, sklářství, námořnictví, chemický průmysl a především při modelování proudění vzduchu v budovách působením topení, chlazení, ventilace a sluneční radiace.

Obr. 2.2 Ukázka výstupu ze simulací prováděných programem FLUENT (zdroj www.fluent.com) – vizualizace proudění vzduchu ve výměníku tepla pro tři varianty vstupních kanálů

CFD program umožňuje vytvořit virtuální model proudění vzduchu v budovách a tím již v průběhu projekce optimalizovat parametry, které toto proudění způsobují. Díky tomuto nástroji je možné předejít i při nových konstrukcích zbytečným chybám. Výsledky simulací mohou být ve 2D i ve 3D prostoru. Program je schopen vizualizovat a graficky vyjádřit průběh sledovaného děje v čase. Při simulacích je CFD model schopný zahrnout do výpočtu tepelné zdroje, jakými jsou kancelářská zařízení, světelné zdroje, obsazení prostoru uživateli, sluneční radiace, vítr a vnitřní tepelné vlastnosti budovy. Tepelné zisky ze slunečního záření, procházejícího prosklením budov je velice důležité zohlednit při návrhu ventilačního systému. Díky CFD programu je možné také zjistit rozložení teploty vzduchu v prostoru, radiační teploty, proudění vzduchu a jeho relativní vlhkost v prostoru. Na těchto výsledcích lze zhodnotit komfort vnitřního prostředí pro uživatele budovy. Fluent lze také využít při simulací proudění spalin pro případ, že v budově vznikne požár. To umožňuje získat důležité informace při projekci protipožárních opatření. Fluent je velice výkonný simulační nástroj, který je ale využitelný jen ke sledování jednoho konkrétního děje, a tak neumožňuje komplexní pohled na objekt a systém. TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation) je universální simulační softwarové prostředí, určené k matematickému modelování nestacionárních dějů v energetických systémech. TRNSYS je využíván inženýry i výzkumníky po celém světě k simulacím a ověření nových řešení od jednoduchých domácích systémů pro ohřev teplé vody, až po návrh a simulaci budov včetně konstrukčního řešení stavby z hlediska tepelně technických vlastností, stavebních materiálů, otopných soustav a systémů regulace. Umožňuje vytvářet matematické modely a simulovat chování energetických systémů, využívajících obnovitelné zdroje energie jako jsou fototermální, teplovodní i teplovzdušné soustavy, fotovoltaické systémy, palivové 10

články, větrné turbíny, tepelná čerpadla atd. Jedním z klíčových faktorů širokého využití programu TRNSYS komunitou vědců a inženýrů je jeho otevřená, modulární struktura. Díky velkému množství jednoduchých základních komponentů (prvků) si uživatel může sestavit požadovanou strukturu navrhované nebo sledované energetické soustavy. Tento program poskytuje velké možnosti při optimalizování energetických technologických systémů, jako je kupříkladu koncentrační biokultivátor, kde se využívá teplo z různých zdrojů a systémů, uplatněných ve stavbě. Důvodem použití je možnost optimalizace tvaru, orientace, dispozičního řešení stavby a vytápěcího systému za účelem snížení ztrát objektu a racionálního využívání energetických zisků ze slunečního záření. Universálnost použití pro modelování jak objektů tak i systémů je hlavním důvodem, proč bylo k simulacím použito právě softwarového prostředí TRNSYS.

2.2 Fototrofní řasové kultivátory Řasové kultivátory jsou zařízení určená ke kultivaci různých druhů mikrořas, které se používají k produkci určitých cenných látek, nebo jako biomasa. Na rychlost růstu řas a jejich kvalitu má vliv několik níže zmíněných faktorů. Podmínkami kultivace je možné do určité míry ovlivnit nejen rychlost růstu, ale také obsah jednotlivých účinných látek, obsažených v řasách. Je věnováno značné úsilí na testování nových kultivačních zařízení i postupů pro jednotlivé typy řas s cílem optimalizovat výtěžnost požadované látky z řasy vzhledem k nákladům na její kultivaci. Při stanovení koncepce a konstrukčního řešení kultivátoru musí být zohledněno několik důležitých parametrů - zdroj světla, způsob míchání řasové suspenze, způsob kontroly a regulace teploty suspenze, výměna plynů (odkysličování a sycení oxidem uhličitým), zabezpečení sterilního prostředí (pokud je vyžadováno), spolehlivost provozu všech funkčních uzlů, prevence před znečištěním, způsob čištění, použité materiály, spotřeba energie. Zařízení na kultivaci řas je možné rozdělit podle různých kritérií: umístění (vnější, vnitřní), konstrukce (otevřené, uzavřené), použití. 1. podle umístnění: − VNĚJŠÍ – kultivátory jsou umístněny na volném prostranství, situují se do míst s teplým podnebím a dostatečným osluněním. − VNITŘNÍ kultivátory jsou umístěny v uzavřených prostorách, nejčastěji v prosklených halách. Kultivátory se pak mohou nacházet i v místech s chladnějším podnebím. 2. podle konstrukce: − OTEVŘENÉ - využívají se především ke komerčním účelům, kdy plochy nádrží dosahují až 150 ha. U těchto kultivátorů není možné regulovat teplotní a světelné podmínky. Nevýhodou je také snadná kontaminace řasové kultury, proto pro kultivaci v těchto kultivátorech se používá hlavně Dunaliella ve vysoce salinním prostředí a Spirulina ve vysoce alkalickém prostředí. − kruhové nádrže (open ponds) – nádrže s rotujícím ramenem (CSMA-CNR, Scandicci, Italie; fy. Hau, Taiwan) − vodní náhony (raceways pond) – náhon s otáčivým lopatkovým kolesem (CSMACNR, Scandicci, Italie; Israel Oceanographic & Limnological Research, National Center for Mariculture, Eilat). Tyto nádrže jsou obvykle 30 cm hluboké. Lopatkovým otáčivým kolesem je zabezpečována cirkulace řasové suspenze v nádrži. Určitou nevýhodou je 11

nerovnoměrnost ozáření řasové suspenze v závislosti na hloubce. Ve vrchních vrstvách dochází k velkému ozáření suspenze. To má za následek fotoinhibici, což vede ke snížení účinnosti proměny sluneční energie na biomasu. Se zvyšující se hloubkou dochází ke snižování ozáření. Velké množství rasové suspenze je proto osvětleno malou intenzitou. Efektivnost využití sluneční energie je v těchto vrstvách vyšší, ale celková produkce biomasy je nižší. − kaskády (cascade) - nakloněné plochy s tenkou vrstvou suspenze (5 až 8 mm) (Mikrobiologický ústav AVČR, Třeboň). Řasová suspenze cirkuluje po nakloněných plochách uspořádaných kaskádovitě za sebou. Turbulentní proudění zabezpečuje rovnoměrné osvětlení celého objemu řasové suspenze. Díky krátké optické dráze je možné hustotu řasové suspenze udržovat na 25 gl-1 až 35 gl-1. Denní výtěžnost systému je za příznivých klimatických podmínek na úrovni 40 g sušiny z 1 m2. (Masojidek, J., Torzillo, G., 2008) − UZAVŘENÉ – používají se ke kultivaci řas, ze kterých je možné získávat cenné látky pro farmaceutický a kosmetický průmysl. Jejich výhodou je vyšší variabilita kultivačních podmínek s cílem získání požadované látky z řas, nižší možnost kontaminace kultivované kultury jinými mikroorganismy nebo řasami a snadnější udržování požadovaných kultivačních podmínek. Nevýhodou je složitější zabezpečení výměny plynů a čištění zařízení (Blackwell Science Ltd. 2004). pH je regulováno oxidem uhličitým, nebo přidáváním kyselin v případě že pH je příliš vysoké. Výpočet fotosyntetické účinnosti řas slouží k zjištění, jestli intenzita osvětlení je nízká, vysoká, nebo dostatečná. − trubicové horizontální i vertikální – nejčastěji používaný typ uzavřeného kultivátoru ke komerčním účelům pro jeho relativně jednoduchou konstrukci a vysokou objemovou produkci, dosahující i desetinásobku produkce ve srovnání s otevřenými systémy. Jsou složeny s velkého množství skleněných trubic s průměrem 3 až 10 cm a délky 25 až 100 m. Koncentrace řasy je 1 až 5 g sušiny na 1 litr suspenze. Hlavním nedostatkem je pořizovací cena, vysoké provozní náklady a omezená možnost odkysličení suspenze, což zpomaluje růst řas. Z těchto kultivátorů je možné získat roční produkci v objemu cca 20 – 60 t/ha/rok v závislosti na optické hustotě a objemu retenční nádoby, ve které dochází k odkysličení. − trubicové koncentrační – trubice s řasovou suspenzí se nachází v ohnisku lineární čočky. Řasy jsou vystaveny vyššímu ozáření za účelem vytváření stresových podmínek, které vedou řasy k produkci cenných látek (popisu koncentračních kolektorů jsou věnovány kapitoly 3.3 a 4.1.1). − panelové – mají plochý čtvercový tvar zhotovený ze skla nebo jiného transparentního materiálu a vevnitř je přehrádkami vytvořen meander kterým cirkuluje řasová suspenze. Výhodou tohoto typu kultivátoru je jeho plochý tvar, který umožňuje rovnoměrné osvětlení řasové suspenze v celém jejím profilu (Yuan-Kun, L. 2001) − buble column − vakové − polokulovité − KOMBINOVANÉ – − Vodní náhon s plochým panelem − Kulový tank se závity z průhledných hadic 3. podle objemu kultivované řasy: 12

−

−

−

LABORATORNÍ – slouží k zajištění řasových monokultur, které se pak používají pro další víceobjemové kultivace. Laboratorní kultivátory se také používají při výzkumné činnosti, hlavně při zjišťování kultivačních postupů, které umožňují řase produkovat požadovaný typ látky. Řasy se kultivují při umělém světle. V současné době se začínají využívat LED světla, pro jejich homogennější záření a nižší tepelnou zátěž. Teplota suspenze se udržuje v požadovaném rozmezí teplot vodním výměníkem tepla. Míchání suspenze je zabezpečeno. Objem řasové suspenze se pohybuje v rozmezí 0.5 – 50 l. POLOPROVOZNÍ – můžou být použity k produkci inokula pro komerční systémy, k produkci menších objemů biomasy, nebo k produkci speciálních látek. Také je vhodné jejich využití při optimalizaci konstrukčního řešení kultivátoru, nebo pro optimalizaci kultivačního postupu před jeho komerčním využitím. Objem řasové suspenze se pohybuje v rozmezí 50 – 150 l. PROVOZNÍ (komerční) – kultivátory zaměřené na produkci jednoho (druhu) typu řasy za účelem získání požadovaného produktu s ohledem na celkové náklady spojené s kultivací.

Tabulka 2.1 Základní typy fototrofních biokultivárorů

Laboratorní

Vakové

Panelový

Válcové – buble column

Otevřené kultivátory

Kaskádový - poloprovozní

Vodní náhon – komerční

Uzavřené kultivátory

Panelový

Trubicový - koncentrační 13

Trubicový - vertikální

Trubicový – komerční

Trubicový - dvojúrovňový

2.2.1 Sinice a řasy Sinice a řasy jsou zpravidla mikroskopické organismy žijící samostatně jako jednobuněčné, v řetězcích (vláknech) nebo v koloniích. V některých případech mohou však tvořit velkou biomasu – makroskopické kolonie. Některé řasy mohou vytvářet charakteristické rozměrné mnohobučné útvary – stélky (např. ruduchy). Taxonomicky se jedná o velmi komplikovanou skupinu organismů, které však v naprosté většině případů jsou fotoautotrofní, schopné oxygenní fotosyntézy. Základními fotosyntetickými pigmenty jsou zpravidla chlorofyly. Sinice, nebo v moderní terminologii cyanobacterie, mají prokaryontní buněčnou organizaci, zatímco řasy patří k eukaryotním organismům (Kalina, T., Váňa, J. 2005). Sinice a řasy sehrály klíčovou roli v evoluci života na Zemi, protože jejich oxygenní fotosyntéza změnila složení atmosféry. Odhaduje se, že fotosyntéza sinic a řas v oceánech „produkuje“ asi polovinu atmosférického kyslíku. Sinice a řasy mají proto klíčový význam jak pro udržování stabilní koncentrace kyslíku v atmosféře, tak v produkčních procesech vodních biotopů (Falkowski, P.G., Knoll, A.H. 2007). Kromě vodního prostředí žije velké množství druhů sinic a řas v půdách, aerophyticky, v horkých pramenech i na ledovcích. Sinice a řasy patří k organismům, které osídlily celou biosféru (Kalina, T., Váňa, J. 2005). Extrémní schopnost sinic a řas přizpůsobit se velmi různorodým podmínkám znamená, že tyto organismy jsou schopny dokázat metabolicky reagovat na extrémní rozsah vnějších podmínek, což vede k velké variabilitě v chemickém složení buněčného obsahu (Rai, L.C., Gaur, J.P. 2001). Proto sinice a řasy (jak z přirozených lokalit, tak z kultur) představují velký potenciál v získávání mnohých cenných látek, jakými jsou pigmenty (karotenoidy a chlorofyl), antioxidanty, nenasycené mastné kyseliny, aminokyseliny, enzymy, polymery, peptidy, polysacharidy, toxiny, steroly atd. Tyto látky představují ohromnou variabilitu biologických aktivit - antibakteriální, fungicidní, protinádorová i antivirová aktivita, immunosupresanty, blokátory iontových kanálů, inhibitory mnoha enzymů atd. (Masojidek, J., Torzillo, G., 2008). Možnost objevení dalších cenných látek při studiu nových kmenů řas je značná. Svědčí o tom i fakt, že přibližně 60% malých molekul (NCEs) s biologickým účinkem, objevených za posledních 20 let pochází z přírodních zdrojů. Míra využití těchto látek je u některých léčebných aktivit v protinádorové a antibiotické terapii ještě vyšší a tvoří 74% resp. 78% podíl z celkového množství nově objevených látek. Hlavním zdrojem těchto látek jsou terestrické organismy (vyšší rostliny, houby, kvasinky …), ale i řasy i sinice patří mezi významné zdroje. Vzhledem k tomu, že velké množství druhů sinic a řas není ještě popsáno, patří tyto organismy do skupiny přírodních zdrojů, které představují velký potenciál při objevování nových biologicky aktivních látek. 14

Chemické složení řas záleží na druhu a na kultivačních podmínkách. Změnou kultivačních podmínek, mezi které patří teplota, intenzita světla, pH, koncentrace CO2, salinita a živiny, je možné dosáhnout zvýšenou produkci určitého typu látky. V současnosti jsou tyto produkty využívány hlavně pro farmaceutický a kosmetický průmysl. Samotné řasy je možné přímo přidávat jako aditivum do potravin. V posledních letech roste zájem o využívání řas k produkci oleje pro chemický průmysl a k výrobě bionafty (www.algae.wur.nl). Aby se řasy staly běžnou surovinou pro získávání cenných látek, je potřebné zvýšit jejich produkci, ale zároveň také rapidně snížit jejich cenu. Nejčastěji využívané kmeny sinic náleží k rodům Microcystis, Aphanizomenon, Anabaena Spirulina, Nostoc. Je zajímavé, že některé kmeny se používají jako potravinové doplňky resp. jako zdroj různých bioaktovních látek, zatímco jiné mohou produkovat různé toxiny (Rai, L.C., Gaur, J.P. 2001). Důležité produkční kmeny eukaryot jsou druhy rodů Chlorela (kosmopolitní, nejvíce využívaný kmen k produkci biomasy (nikoliv v energetickém smyslu)), Dunaliella (salinní kmen s velkým obsahem β-karotenu), Haematococcus ( sladkovodní kmen zelené řasy, produkuje astaxantin – účinný antioxidant), Pleurastrum, Chlorococcum (zelené řasy produkující karotenoidy), Scenedesmus (sladkovodní planktonní řasa, pro produkci biomasy), ruducha Porphyridium (sladkovodní i salinní kmeny, biomasa obsahuje vysoký podíl sulfatových polysacharidů, PUFA – eikosapentaeovou a arachidonovou kyselinu). Tabulka 2.2 Zobrazení nejpoužívanějších druhů řas a sinic

Prokarioty

Nostoc Eukarioty

Aphanizomenon

Anabaena

Spirulina

Chlorella

Dunaliella

Haematococcus

Scenedesmus

Chlorococcum

Pleurastrum 15

Využitelnost dopadající energie řasou: Fotosyntéza je pro sinice a řasy základním procesem získávání energie. Fotosyntéza je proces využívající dopadající sluneční záření (o energetickém obsahu h*ν ν, kde h je Planckova konstanta a ν je frekvence záření) k fixaci oxidu uhličitého CO2 do uhlovodíků při současném uvolnění kyslíku O2 jako vedlejšího produktu. 6 CO2 +12 H2O

C2H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

Obr. 2.3 Jednoduchá schéma fotosyntézy (zdroj www.algae.wur.nl)

Existují dvě fáze fotosyntézy – světelná a temná. Ve světelné fázi (levá část Obr. 2.3) barevné pigmenty pohlcují světlo (chlorofyly a bakteriochlorofyly, karotenoidy, fykobilin) z něhož získávají energii pro následné děje. V této fázi dochází k fotolýze vody a uvolnění kyslíku, který pak využívají i jiné organismy k dýchání. Biochemické děje v temnostní fázi (pravá část Obr. 2.3) již světlo nepotřebují, ale využívají energii, která z něj byla ve světelné fázi získána. V této fázi dochází k zabudování oxidu uhličitého do molekul cukrů, které dále slouží buď jako zásobárna a zdroj energie, nebo jako stavební složky pro tvorbu složitějších molekul (polysacharidů, glykosidů aj.). Procesy temné fáze probíhají v cyklech a liší se podle druhu organismu. Vnější faktory, které fotosyntézu rozhodujícím způsobem ovlivňují, jsou světlo, teplota a koncentrace oxidu uhličitého.

2.2.2 Podmínky pro kultivaci řas Světlo Fotosyntézu ovlivňuje spektrum a intenzita světelného záření. Spektrum vhodné pro fotosyntézu (PhAR – Photosynthetic Active Radiation) je v rozmezí 380–760 µm. Absorpci světla jsou jak sinice, tak i řasy schopné značně měnit podle spektrálního složení PhAR doprovodnými pigmenty (fykobiliny – fotosyntetická barviva sloužící jako přenašeči světelné energie ke chlorofylu a karoteoidy). Tento proces je označován jako chromatická adaptace. Jejich efektivnost je však menší než u chlorofylů. Minimální prahová intenzita světla pro zahájení procesu fotosyntézy se liší podle taxonomické příslušnosti a také podle předcházející světelné historie, jaké byla populace nebo kultura vystavena. Kompenzační bod fotosyntézy, tj. světelná intenzita, při níž je fotosyntetická produkce kyslíku v rovnováze se spotřebou kyslíku při respiraci se pohybuje od několika jednotek do 50 µmol.m-2.s-1 (Kirk, J.T.O. 1995). Populace dlouhodobě přizpůsobené na nízké intenzity mohou dosahovat maximální rychlosti fotosyntézy již při hodnotách okolo 80 µmol.m-2.s-1. 16

S přibývající intenzitou světla se rychlost fotosyntézy zvyšuje, až dosáhne bodu světelného nasycení, kdy se ustálí. Při vysokých intenzitách světla vzniká velké množství kyslíkových radikálů, které mohou porušit fotosystém II (proteinový komplex účastnící se fotosyntézy, světlem redukuje molekuly) a tak zastavit fotosyntézu. Sinice a řasy se proti vysoké intenzitě světla brání řadou Graf 2.1 Závislost rychlosti fotosyntézy na intenzitě světla. reakcí jako je například snížení absorpce světla, disipace záření do fluorescence, zastavení přenosu elektronů do temnostní fáze fotosyntézy či zvýšení respiračních procesů. Výsledkem je zpomalení až zastavení fotosyntézy. Tyto reakce značně závisí na rozsahu světelné adaptace k podmínkám vysokého nebo nízkého ozáření. Sinice a řasy, které jsou takto adaptované, vykazují podobné charakteristiky jako světlomilné a stínomilné vyšší rostliny (Kirk, J.T.O. 1995). Stínomilné (sciofyty) vyžadují nižší intenzitu světla. Obsahují více zelených a žlutých pigmentů (chlorofyly, xanthofyly), intenzivněji využívají modrofialové světlo. Světlomilné (heliofyty) mají vysoké požadavky na intenzitu světla. Obsahují méně karotenoidů a intenzivněji využívají červené světlo. Jejich světelná křivka fotosyntézy má menší úhel β a delší podíl „lineární části“. Kompenzační bod a bod světelného nasycení leží při vyšších intenzitách záření. Oxid uhličitý CO2 Sinice a řasy využívají CO2 rozpuštěný ve vodě a některé kmeny i HCO-3 (hydrogenuhličitanový iont). Dostupnost CO2 resp. anorg. uhlíku závisí na distribuci volného oxidu uhličitého, hydrogenuhličitanů a uhličitanů. Protože uhličitany tvoří sraženinu, není tato forma pro sinice a řasy dostupná. Rozdělení anorg. uhlíku mezi jeho formy závisí na pH. Při fotosyntéze jsou spotřebovávány oxid a hydrogenuhličitan a pH vzrůstá, při vysokém pH dochází k limitaci fotosyntézy nedostatkem anorg. uhlíku (Kirk, J.T.O. 1995) Teplota Průběh reakcí obecně urychluje zvýšení teploty o 10 °C 2–3krát (Šebánek, J. et al 1983). Rychlost fotosyntézy závisí exponenciálně na teplotě a limitujícím faktorem je intenzita světla. Jelikož teplota ovlivňuje i další fyziologické pochody, je závislost fotosyntézy na ní složitá. Při nízkých teplotách rostliny fotosyntetizují pomalu. Zvyšováním teploty rychlost roste až po hranici teplotního optima. Poté pomalu klesá a při 35–45 °C se zastavuje. Současně s Graf 2.2 Závislost rychlosti fotosyntézy a dýchání na fotosyntézou se však zvyšuje i dýchání teplotě a intenzitě světla (zdroj www.wikipedia.org) 17

rostlin a obě rychlosti se zvyšují nerovnoměrně (Šebánek, J. et al 1983). Vliv teploty na fotosyntézu se výrazněji projevuje při vyšší intenzitě světla. Evolucí rostlin došlo k adaptaci na různé teplotní podmínky (Šebánek, J. et al 1983). Některé řasy se dokáží přizpůsobit teplotnímu rozsahu 15°C až 35°C (Chlorella a Spirulina), jiné (Haematococcus) vyžadují pro svůj růst teplotu v rozmezí 25°C až 27°C. Všeobecně lze říci, že optimální teplota pro kultivaci řas je v rozmezí 25°C až 30°C (Masojidek, J., Torzillo, G., 2008). Výše uvedené informace, znalosti, pochopení procesů a závislostí jsou nezbytné pro návrh technického řešení a konstrukci kultivačních zařízení a pro následné vytváření jejich matematických modelů.

2.3 Stavební objekty Podle ČSN 73 40 55 je budova definována jako samostatný pozemní stavební objekt prostorově soustředěný a navenek zcela uzavřený (obvodovými a střešními konstrukcemi), s jedním nebo více ohraničenými užitkovými prostory. Z definice budovy plyne, že základním parametrem, kterému musí být projekt budovy podřízen, je její využitelnost ke konkrétnímu účelu (jiné parametry musí splňovat průmyslová budova a jiné administrativní budova nebo občanská budova). Budovy z hlediska účelu použití je možné rozdělit do několika málo skupin (administrativní, průmyslové, obytné, budovy občanské vybavenosti, nákupní…). Požadované funkčnosti budovy lze dosáhnout velikou variabilitou architektonického, dispozičního, konstrukčního a technického řešení stavby. Tato řešení ale v konečném důsledku neovlivní pouze funkčnost stavby, ale také energetickou náročnost budovy a kvalitu vnitřního prostředí, spojenou s tepelnou a světelnou pohodou. Užitnou hodnotu stavby určuje nejen její funkční uspořádání dané dispozicí, ale také uživatelský komfort a úspornost provozu, které lze ovlivnit orientací budovy, zvolenými materiály, barvami a použitými technologiemi. Proto je nezbytné věnovat velkou pozornost projekčním pracím a zejména provázaností všech zúčastněných profesí již od samého počátku koncipování stavebního záměru. Prostředky, vložené do projekčních prací a případných simulací se bohatě vrátí při realizaci a především během provozu stavby.

18

3 Použitá technologická zařízení Matematická simulace dvou monitorovaných energetických systémů má úzkou vazbu na biologické využití sluneční energie. Prvním objektem je technologické zařízení – systém řasových kultivátorů, využívající lineární čočkové koncentrátory v biotechnologické hale na Nových Hradech. Druhým je stavební objekt experimentálního modulového skleníku v Třeboni, osazený mimo jiné všemi dostupnými rastrovými systémy, vyráběnými technologií kontinuálního lití ze skla. Experimentální část disertace se opírá o pokusy, které byly v průběhu řešení uskutečňovány dle aktuálních potřeb v obou hlavních objektech, využívajících ke krytí energetických potřeb v převážné míře slunečního záření.

3.1 Biotechnologická hala Historie Biotechnologická hala v Nových Hradech je moderní vědecké a vývojové pracoviště, ve kterém sídlí Centrum biologických technologií, které je součástí Ústavu fyzikální biologie Jihočeské univerzity (ÚFBJČ) a nachází se v zámeckém areálu. Jedná se o nově zrekonstruovanou historickou stavbu. Její vznik je datován na rok 1715, kdy sloužila šlechtickému rodu Buqoyů jako skleník. V letech 1801 až 1810 si v blízkosti skleníku rodina Buqoyů postavila zámecké rezidenční sídlo. V 80. a 90 letech minulého století byl skleník využíván střední zemědělskou školou jako tělocvična. Koncem 90. let celý zámecký areál přešel do majetku Jihočeské univerzity a UKE (Ústav Ekologie Krajiny) AV ČR. V průběhu let 2003 až 2004 byl díky finanční podpoře PHARE EU, Jihočeského kraje, Jihočeské univerzity a SFŽP ČR objekt tělocvičny zrekonstruován a přestavěn na technologickou halu - skleník. Je osazen novými moderními technologiemi a je využíván k experimentálním účelům Obr. 3.1 Dočasné experimentální zařízení koncentračního řasového kultivátoru v oblasti kultivace řasových kultur. Rozhodnutí vystavět biotechnologickou halu bylo podpořeno zkušenostmi, získanými na přilehlém objektu, dočasném experimentálním zařízení koncentračního autotrofního trubicového řasového kultivátoru. Jednalo se o úplně nový typ kultivátoru, který byl vyvíjen ve vzájemné spolupráci mezi ÚFB JČ, ENKI, o.p.s. a firmou ENVI, s.r.o. v letech 2001 2002. Cílem bylo vytvořit a otestovat pokusné zařízení pro ověření konstrukčního řešení koncentrační kultivační jednotky a výběr a optimalizaci růstových podmínek určitých kmenů řas pro produkci cenných biologicky aktivních látek v tomto zařízení. Velikostí se jednotky řadí mezi poloprovozní zařízení (objem kultivované suspenze je 75 l). Byly nainstalovány a uvedeny do provozu dvě kultivační jednotky. Zařízení bylo postaveno na bázi koncentračního kolektoru SOLARGLAS. Koncentraci slunečního záření zabezpečovaly lineární Fresnelovy čočky, které byly součástí střešního pláště. Celková plocha čoček jednoho kultivátoru byla 9m2. V ohnisku se nacházely skleněné trubice, ve kterých cirkulovala řasová suspenze. Zařízení bylo po dobu dvou let testováno především z hlediska nastavování různých 19

kultivačních režimů pro různé druhy řas. Výsledky kultivací ukázaly, že koncentrační kultivátor má své opodstatnění a lze jej aplikovat na nově vznikající halu - skleník. Současnost Jižní fasáda a střecha haly jsou rozdělena do pěti čtyřmetrových sekcí a čtyř dvoumetrových sekcí. Tři čtyřmetrové sekce jsou osazeny koncentračními kolektory a ve dvou sekcích jsou umístněny koncentrační trubicové kultivátory (střešní a fasádní jednotky). Dvoumetrové sekce mají ve střešní konstrukci zabudované ploché černé kolektory. Fasáda pod kolektory je tvořena izolačními dvojskly. Jedna fasádní koncentrační jednotka má plochu 9m2. Střešní koncentrační jednotka potom má plochu 15m2. Plocha kolektorů v jedné sekci činí 8m2. Koncepce celé jižní střechy i fasády je podřízena využití sluneční energie a to jak pasivně (přirozené osvětlení denním světlem a využití skleníkového efektu pro ohřev či temperování interiéru rozptýlenou složkou slunečního záření), tak především aktivně (kultivace řas, ohřev TUV, chlazení interiéru transportem energie z exponovaného prostoru do akumulačních zásobníků). V návrhu jsou využity lineární rastrové čočky ze skla, korigované pro kolmý dopad slunečního záření ve střešních kolektorech a korigované pro šikmý dopad sluneční energie v jižní fasádě. Jako absorbérů je použito buď skleněných trubek, protékaných řasovou suspenzí (koncentrační kultivátor), nebo Al profilů vyvložkovaných Cu trubkou, kterými protéká voda. Koncentrační kolektory jsou doplněny plochými kolektory se selektivní vrstvou HELIOSTAR od slovenského výrobce THERMO/SOLAR Žiar nad Hronom. Do haly byly nainstalovány celkem čtyři koncentrační kultivátory, které se staly součástí jižní prosklené fasády a střechy. Zhotovení čistých prostor v biotechnologické hale a vnitřní vybavení haly přístroji umožňuje následné průmyslové zpracování vypěstovaných řas ve farmaceutické kvalitě.

sekce s biokultivátory sekce s koncentračními kolektory sekce s plochými kolektory

Obr. 3.2 Biotechnologická hala – 3D model a skutečný objekt Jižní fasáda je osazena koncentračními kolektory s lineární Fresnelovou čočkou

20

3.2 Experimentální skleník Druhým objektem je experimentální skleník, vybudovaný v Třeboni. Při jeho projekci bylo plně využito zkušeností získaných při konstrukci biotechnologické haly. Koncepce skleníku vychází z nutnosti posuzovat energetické úvahy na základě komplexně měřených parametrů a okrajových podmínek. Ve skleníku lze realizovat a zkoušet všechny známé systémy pro konverzi slunečního záření a pro interakci slunečního záření s rostlinami, stavebními materiály, půdou a dalšími důležitými subjekty. Na rozdíl od biotechnologické haly bylo v osazení fasády použito dalších typů rastrů (pasivní i aktivní pro kolmý a šikmý dopad slunečního záření). Modulární skleník, využívající skleněné optické rastry je experimentálním objektem, postaveným se zřetelem na základní principy solární architektury. Objekt je koncipován tak, aby stavebním řešením dokázal pasivně i aktivně využívat dopadající sluneční záření. Vzduchotechnický systém vytápění dokáže efektivně využívat naakumulovanou sluneční energii ve skleníku. Díky větracímu systému a akumulačním hmotám se prostor ve skleníku nepřehřívá a není nutné aktivní klimatizační zařízení k chlazení interiéru v letních slunečných dnech. Podstatou technického řešení skleníku s akumulační stěnou a optickými rastry je vzájemné skloubení stavebního řešení se současnými technologiemi a stupněm poznání, vedoucí k minimalizaci energetických dotací do systému při zvyšování jeho užitných vlastností.

Obr. 3.3 3D model a fotografie skleníku Jižní fasáda skleníku je zasklená pasivními i aktivními optickými rastry, severní a boční stěny jsou vyzděny a tepelně izolovány

Základní principy návrhu: 1) Skleník je obdélníkového půdorysu s asymetrickou sedlovou střechou. Ideální orientace hřebene střechy je východ – západ. Malé natočení hřebene v rozmezí ± 15° od ideální osy je možné. Podlaha skleníku je cca 60cm pod úrovní terénu. Skleník je postaven na základových pásech (tj. podlahu skleníku tvoří zemina). Nad úrovní terénu je jižní fasáda prosklená. Severní, východní a západní stěny skleníku jsou hmotné a z exteriéru tepelně izolované. Jižní 21

střecha je prosklená optickými rastry. Sklon střechy je závislý na použitém typu optických rastrů. Pro využívání střešních optických rastrů byl zvolen sklon střechy 35°. Severní střecha je zastřešena bonnským šindelem a opatřena odvětraným izolačním systémem tl. 160 mm s parotěsnou zábranou. 2) Masivní stěna a podlaha skleníku slouží jako akumulační hmota, do které se akumuluje přebytečná energie, která projde optickými rastry. Akumulovaná energie je následně v průběhu noci vyzařována zpět do interiéru, který se tím ohřívá. Při jiném využití skleníku, nebo při aplikaci získaných poznatků v jiných budovách je při výběru barvy nutné brát ohled nejen na šířku spektra, kterou je schopna absorbovat, ale také na pocitovou stránku lidí, kteří budou prostory využívat. 3) Skleník je osazen vzduchotechnickým systémem vytápění a větrání, který nasávacím a rozvodným potrubí zabezpečuje rovnoměrné rozložení teploty vzduchu ve vertikálním profilu skleníku. Nasávací potrubí je umístněno pod vrcholem skleníku. Do prostoru je vháněn vzduch vyústkami v potrubí, umístněném ve spodní části skleníku pod parapety oken. Vzduchotechnickou jednotku lze využívat k vytápění i chlazení objektu skleníku. Výhodou teplovzdušného vytápění u průsvitných nebo průhledných staveb je využití tepelné energie vzduchu, který se v takovém objektu, svítí-li slunce, vždy ohřeje a vystratifikuje pod střechou. Teplého vzduchu se nezbavujeme odvětráním, jak je obvyklé, ale po přimíchání čerstvého vzduchu je přiveden pod parapet a je zaručena jeho cirkulace v objektu. Tím dochází k podstatné úspoře energie na vytápění. 4) Skleník je větrán dvěma řadami otevíracích oken. První řada je umístněná ve spodní části jižní fasády. Druhá řada oken je ve vrcholu skleníku. Otevřením obou řad oken dochází ke komínovému efektu. Čerstvý venkovní vzduch je spodní řadou nasáván a ohřátý interiérový vzduch je vrchní řadou oken vypouštěn ze skleníku.

Obr. 3.4 Jižní prosklená fasáda s pasivními optickými rastry, akumulační zdi a vzduchotechnické vytápění

22

3.3 Biokultivátor – technologická jednotka Biotechnologické haly Hlavní úlohou kultivátoru je pěstování řas ve vodném roztoku za účelem získávání cenných biologicky aktivních látek. Koncentrační biokultivátor (střešní, fasádní) slouží k produkci řasových kultur a tvoří součást translucentního obvodového pláště s inteligentní žaluzií – koncentračního kolektoru. Je to uzavřený trubicový systém, založený na koncentraci přímé složky slunečního záření lineárními Fresnelovými čočkami, které jsou součástí jižního obvodového pláště (jak střechy, tak i fasády) technologické haly. Je postaven na bázi koncentračního kolektoru SOLARGLAS a je koncipován tak, aby celý kultivační proces od nasazení kultury do kultivátoru až po její sklizeň bylo možno plynule regulovat. Regulace kultivačních podmínek se týká intenzity ozáření, teploty kultivační suspenze, koncentrací kyslíku a CO2, turbidity a pH. Tento nový typ fotobioreaktoru s vysokou intenzitou slunečního ozáření kombinuje výhody vnitřních a venkovních kultivačních systémů (viz. kap. 2.2 Fototrofní řasové kultivátory) neboť dovoluje a umožňuje: − téměř celoroční využívání daného zařízení díky uzavřenému systému s možností ohřevu nebo chlazení řasové suspenze, − trojnásobné zvýšení ozáření trubic s kultivovanou látkou oproti přímé sluneční radiaci, dopadající na plochu čoček jako výsledku aplikace skleněných lineárních Fresnelových čoček, v jejichž přímkovém ohnisku se nachází proudící řasová suspense, − plně automatizované řízení kultivačního procesu specializovanou řídící jednotkou (teplota, pH, odkysličování, průtok, radiace, sycení CO2, fotochemické aktivity apod.), − optimalizované promíchávání suspenze, sycení CO2, efektivní ohřev, výměnu plynů a brání kontaminaci řasové kultury, − on-line měření fotochemické aktivity řasy, určující její fyziologickou kondici (fluorescence chlorofylu, produkce kyslíku), − plynulou změnu kultivačních podmínek pro optimalizaci růstu nebo nastavení stresových podmínek řase za účelem produkce cenných látek, − archivaci všech parametrů kultivace a celého systému pro optimalizaci pěstebních postupů a energetických bilancí technologie.

3.4 Monitorovací systémy Monitorovací systémy obou objektů zabezpečují měření relevantních parametrů používaných k popisu chování systémů, stavových veličin, regulaci technologických procesů a ukládání dat. Jedná se o elektrické měření neelektrických veličin, tak jak je napsáno zejména v kapitole XI (Jirka a kol. 2009). Metrologie aplikovaná u biokultivátorů je vybudována na stejných principech. Soubory monitorovaných dat slouží jako vstupy při objektivním posuzování energetických vlastností objektů. Dalším zdrojem dat jsou údaje zaznamenané meteorologickými stanicemi, které jsou součástí monitorovacích systémů obou objektů. Tato data slouží ke stanovení okrajových podmínek matematických modelů.

23

3.5 Optické rastry – společný jmenovatel studovaných systémů Jednotícím prvkem obou studovaných systémů jsou optické rastry ze skla, vyráběné technologií kontinuálního lití. Technologie kontinuálního lití byla zvolena z důvodů vysoké produktivity a z toho vyplývající přijatelné ceny. Z hlediska způsobu využití se dělí optické rastry na dvě základní skupiny: − rastry pasivní - hranolové přímkové systémy, které ke své funkci nepotřebují další technologické (pohyblivé) prvky. Jejich aplikace vyžaduje pouze montáž do střech nebo fasád s přibližnou jižní orientací (± 20° odchylka od jihu), − rastry aktivní - lineární Fresnelovy čočky, které tvoří podstatnou část slunečního kolektoru tzv. koncentrátor a potřebují ke své funkci další návaznou technologii (absorbér, servopohon, naváděcí zařízení, teplonosnou látku, oběhová čerpadla, apod.). Návrh optických rastrů, které modifikují směr dopadajícího sluneční záření, byl postaven na třech základních okruzích znalostí: − optické rastry modifikují pouze přímou složku slunečního záření (tu složku, která vytváří stín), zatímco složka rozptýlená projde rastrem bez podstatných změn přibližně stejně jako přes libovolné jiné sklo, tj. se statistickým rozptylem. − ze známé trajektorie Slunce na obloze lze určit úhlovou polohu Slunce na obloze vůči libovolnému stacionárnímu objektu ve zvolenou denní i roční dobu. S ohledem na stacionární charakter cílového objektu je výhodné použít k popisu polohy Slunce obzorníkovou souřadnou soustavu se souřadnicemi (azimut α a výška h). − zákony geometrické optiky umožňují popsat trajektorii a intenzitu svazku paprsků modifikovaných rastrem. Tyto zákony dovolují návrh a optimalizaci lámavých optických ploch. 70

60

výška

50 40

30 20

10 0 -120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

azimut

Graf 3.1 Trajektorie pohybu Slunce po obloze na 50° severní ší řky

24

60

80

100

120

3.5.1 Rastry pasivní V současné době jsou vytvořeny dvě modifikace obdobného odrazného rastru, jedna pro použití ve střechách se sklonem (35°až 45°) a druhá pro svislé fasády (90°). Rastr je skleněná deska, na kterou jsou vyválcovány pravoúhlé hranoly. Úhel sklonu hranolů je spočítán tak, aby při úhlech dopadu větších než 40°od roviny horizontu docházelo k totálního odrazu na optickém rozhraní sklo-vzduch, tedy k blokaci přímého slunečního záření v letních měsících (záření je odraženo zpět do exteriéru). Při menších úhlech dopadu dochází k lomu paprsků a sluneční záření proniká do interiéru. Pro Českou republiku lze použít zhruba zeměpisnou šířku 50°, čímž jsou definované podmínky oslunění rastrů. Maximální výška Slunce v letní kulminaci je 63°, zatímco v období zimního slunovratu je pouze 16°. Při rozboru hodnot výšek slunečního disku nad obzorem a teplot okolí v našich klimatických podmínkách bylo stanoveno, že důležitá je blokace přímého slunečního záření při hodnotách výšky Slunce nad obzorem vyšších než 40°. Princip použití je u obou typů pasivních rastrů shodný, jak ukazují Obr. 3.5a a Obr. 3.5b.

h ≥ 40°

h ≥ 40°

h < 40° h < 40°

Obr.3.5b Rastr pasivní fasádní

Obr. 3.5a Rastr pasivní střešní

3.5.2 Rastry aktivní - fokusující Rastry aktivní – v námi zavedené terminologii využití obnovitelných zdrojů, slouží ke koncentraci slunečního záření na absorbér a kombinují tak využití pasivní funkce skleníkového efektu průsvitného (translucentního) zasklení s aktivní funkcí optických členů čočka-absorbér v koncentračním kolektoru slunečního záření. Aktivními je nazýváme proto, že energii, jimi zkoncentrovanou dokážeme získat, uložit a aktivně použít. Odzkoušeny jsou dva typy rastrů – spojná lineární Fresnelova (rastrová) čočka, korigovaná pro kolmý dopad slunečního záření, určená do sedlových střech a čočka, korigovaná pro šikmý dopad slunečního záření, určená do energetických fasád. Z Obr. Obr. 3.6a a 3.6b plyne, že poloha ohniskové přímky je funkcí času. Oba typy aktivních rastrů jsou používány především v kolektorech typu SOLARGLAS, kde tvoří součást skleněného pláště budovy. Koncentrovaná energie přímé složky slunečního záření se v absorbéru mění na teplo a teplonosnou kapalinou je odváděna k dalšímu využití.

25

Systém SOLARGLAS je multifunkční systém tvořený čočkou, absorbérem, pohybovým mechanismem a řídící elektronikou, který lze nazvat inteligentní žaluzií. Pod čočkou, která je součástí střešního pláště, je umístěn ve vzdálenosti 40 cm pohyblivý rám s absorbéry. Vzhledem k tomu, že Slunce neustále mění svoji polohu vůči budově, jeho obraz vytvořený

Obr. 3.6a Čočka korigovaná kolmý dopad slunečního záření

Obr. 3.6b Čočka korigovaná šikmý dopad slunečního záření

pro

pro

čočkou se pohybuje. Pro řízení pohybu absorbéru, umístněného v ohnisku čočky je signifikantní pouze výška Slunce (na rozdíl od čipových fotovoltaických systémů, u kterých je nezbytné respektovat obě souřadnice s poměrně velkou přesností). Proto je součástí systému pohyblivý rám s absorbéry, který sleduje přímkový obraz slunce tak, aby se absorbéry neustále nacházely v místě maximálního oslunění. LFČ (Lineární Fresnelovy Čočky) přitom separují přímou a difusní složku dopadajícího slunečního záření. Rozptýlené světlo proniká do vnitřních prostor bez podstatných změn. Tato složka osvětluje a ohřívá díky skleníkovému efektu transparentního zastřešení interiér stavby. Jde tedy o kombinaci aktivního a pasivního prvku na využívání sluneční energie. Systém zajišťuje konverzi energie a zároveň zabezpečuje rovnoměrné osvětlení vnitřního prostoru. Díky těmto optickým a fyzikálním vlastnostem má transparentní koncentrační kolektor s LFČ následující vlastnosti a funkce: − Klimatizační - rastr pracuje jako separátor přímé a difusní složky dopadajícího slunečního záření a přímá složka je koncentrována do lineárního ohniska, kde je umístěn pohyblivý absorbér. Tím je energeticky podstatná část – 60% energie přímé složky slunečního záření odvedena ve formě ohřáté vody z místnosti a snižuje tepelnou zátěž vnitřního prostoru při využití skleníkového efektu pod prosklenou plochou. − Ohřev vody – jak bylo uvedeno, LFČ soustřeďuje sluneční záření na absorbéry, kterými protéká teplonosná látka a odvádí přebytečnou energii z proskleného interiéru. − Osvětlovací – střecha resp. fasáda je transparentní, a propouští vždy rozptýlené světlo s převládající difusní složkou. Intenzita osvětlení se příliš nemění v závislosti na oblačnosti.

3.6 Teoretická propustnost skla Při výčtech těchto hodnot je důležité si uvědomit ještě jeden fakt, který do velké míry ovlivňuje energetické bilance. Je jím samotná propustnost skla. Při vyhodnocování celkových energetických toků jsou optické materiálové konstanty použitého skla velice důležité. Při 26

dopadu sluneční radiace na plochu skla je část této energie odražena, část sklem absorbována a část energie sklem projde. V literatuře (Halahyja a kol. 1998) je uvedena optická propustnost izolačního dvojskla o rozměrech 4-12-4 mm a vyplněného argonem τ = 0.56. Ke stejnému výsledku jsem se dopracoval i změřením spektrální charakteristiky slunečního záření před a za daným typem skla spektrofotometrem (Graf 3.2). Podíl integrálu spektrální charakteristiky světla za sklem k integrálu křivky před sklem udává hodnotu 0.56, což se plně shoduje s uvedenou hodnotou v literatuře. Tato optická propustnost však neudává celkovou energetickou propustnost skla. Celková energetická propustnost je ještě vyšší o hodnotu sekundárně vyzařovaného toku ze zasklení v důsledku akumulace energie do skla. Celková energetická propustnost izolačního dvojskla použitého k zasklení je podle Halahyja a kol. 1998 g = 0.67. To znamená, že i když je objekt vybaven transparentními koncentračními kolektory, které dokáží využívat dopadající sluneční radiaci, tak plných 33% z této energie se přes zasklení ani nedostane a tak nemůže být v daných technologiích využito.

INTENZITA ZÁŘENÍ [bezrozměrný číslo]

3500 INTENZITA SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ ZA IZOLAČNÍM DVOJSKLEM ČINÍ 56% Z CELKOVÉ DOPADAJÍCÍ RADIACE

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 300

400

500

600

700

800

900

VLNOVÁ DÉLKA [nm] PŘED SKLEM

ZA SKLEM

Graf 3.2 Porovnání spektrální charakteristiky slunečního záření před a za sklem měřené spektrofotometrem Avantes

3.6.1 Základní části koncentračního kolektoru Lineární Fresnelova čočka je koncentrátor, zobrazující Slunce do přímky, která leží v ohniskové rovině válcové čočky. Drobné povrchové nerovnosti a zaoblení hran jednotlivých elementů čočky dané použitou technologií způsobují, že se Slunce nezobrazuje do ideální přímky, ale do pásu určité šířky. LFČ je vyráběna v rozměrech 2000 x 750

Obr. 3.7 Základní rozměry skleněné tabule s naválcovanými LFČ

27

1000

mm ve formě dvojčočky (dvě čočky 2000 x 375 mm vedle sebe na jedné tabuli skla uvedených rozměrů viz. Obr. 3.7). Čočky jsou součástí izolačních dvojskel a jsou upevněny v hliníkovém kotvícím systému tvořícím jižní střešní a fasádní plášť budovy.

vzdálenost od ohniskové přímky [mm]

Graf 3.3a udává rozložení koeficientu koncentrace slunečního záření v okolí ohniskové přímky. Například ve vzdálenosti 10 mm od ohniskové přímky je koeficient koncentrace 5,2 tzn., že intenzita slunečního záření v tomto místě je 5,2 krát vyšší než intenzita slunečního záření dopadajícího na povrch čočky. Graf 3.3b udává, jaká část energie přímé složky slunečního záření, dopadajícího na povrch čočky, je zkoncentrována na absorbér zvolené šířky, umístěný v ohnisku čočky. Například na absorbér šířky 53 mm dopadne více než 65 % energie.

Absorbéry slunečního záření (viz. Obr. 3.8) jsou druhým optickým členem a jsou nedílnou součástí koncentračního slunečního kolektoru SOLARGLAS. Jedná se o objekt, kde dochází ke konverzi koncentrovaného slunečního záření. Ve fototermálních aplikacích je použit hliníkový profil (1) na jehož povrch, kde dochází k transformaci koncentrovaného slunečního záření v teplo, je elektrochemicky nanesena spektrálně neselektivní absorpční vrstva (pohltivost a > 0,95), odolná proti mechanickému poškození. Druhá – pohledová strana absorbérů je izolována (2) a zakryta hliníkovou krytkou (3). V hybridních aplikacích jsou na povrchu absorbéru kontaktně upevněny fotovoltaické články (4) a je tedy odebírána současně tepelná i elektrická energie. Absorbéry jsou vyvložkovány a sériově propojeny měděnou trubkou (5) o průměru 15 mm. Připojení na systém ohřevu TUV je, vzhledem k pohybu rámu s absorbéry, provedeno ohebnou hadicí z nerezové oceli. 1

4

3 1

3

2 2

5

5

Obr. 3.8 Schematický obrázek absorbérů hybridního s PV články a klasického

28

Další možností, použitou na kultivačních jednotkách je použít jako absorbéru průhlednou skleněnou trubici naplněnou kapalinou a k absorbci dopadajícího koncentrovaného záření potom dochází ve hmotě proudící kapaliny. 6 5 7 7 8

1 2 3 4 Obr. 3.9 Základní modul koncentračního slunečního kolektoru SOLARGLAS je vybaven šesti absorbéry (2) délky 4000 mm a šířky 63 mm, spojenými příčnými ocelovými profily do samonosného rámu (1), tvořícího pohyblivou energetickou žaluzii. Absorpční plocha kolektoru je tedy u základního modulu rovna 1,51 m2. Rám s absorbéry je umístěn tak, aby se nacházel v ohniskové rovině čoček. Na krajích a uprostřed je zavěšen pomocí čtyř kladek (3), které se volně odvalují po výkyvných hrazdách (4). Pohyb rámu je odvozen od servopohonu (5), tažné lanko působí přes výkyvné kladky (6). Lineární Fresnelovy čočky (7) (6 ks) jsou upevněny do hliníkového zasklívacího systému (8).

Pohybový mechanismus (viz. Obr. 3.10) zajišťuje pohyb rámu s absorbéry. Je umístěn uprostřed nosné konstrukce rámu. Základ pohybového mechanizmu tvoří pohybový šroub (1) a motor s integrovanou převodovkou (2). Tahová síla je na absorbéry přenášena ocelovými lanky (3), která jsou upevněna na matici (4). Matice se pohybuje uvnitř Al jeklova profilu (5) s obdélníkovým průřezem. Plastovými kolečky (6) je v dutině vedena a blokována proti rotaci. Protože Slunce mění svou polohu vůči kolektoru, mění se i poloha ohniska LFČ. Z toho důvodu je nezbytný pohyb absorbérů tak, aby se vždy nacházely v místě maximálního oslunění. Mezní polohy rámu s absorbéry jsou dány polohou Slunce na obloze a sklonem střechy, ve které je kolektor zabudován. Pokud je kolektor orientován na jih, dolní úvrati svého pohybu dosahuje rám s absorbéry v letních měsících, kdy se Slunce pohybuje v nejvyšších polohách na obloze. Naopak horní úvrati dosahují absorbéry v zimě, kdy je výška Slunce nad obzorem minimální. Mezní polohy pohybu rámu jsou s rezervou zároveň vymezeny nainstalovanými koncovými vypínači.

29

3

4

2 5 6 1 Obr. 3.10 Pohybový mechanizmus koncentračního kolektoru

Řídící elektronika udržuje fototermální absorbéry v ohnisku lineární Fresnelovy čočky. Pro tento účel byl navržen modul SOLARTRACK-2. Fotovoltaickým senzorem polohy rámu vůči ohnisku ovládá pohon rámu s absorbéry, měří teplotu absorbéru, polohu rámu inkrementálním rotačním čidlem, které je součástí servomotoru a ovládá cirkulační čerpadlo. Konstrukce jednotek vychází z aplikace 8 bitového mikrokontroleru s jádrem AVR. Jednotka komunikuje s řídícím počítačem, který na základě těchto dat reguluje odvod tepla z absorbérů do akumulačních nádrží. Vstupními parametry regulace odvodu tepla z koncentračních kolektorů je teplota v akumulačních nádrži, teplota horního absorbéru koncentračního kolektoru, nastavená teplotní diference sepnutí čerpadla a hystereze regulátoru. Automatická regulace vyhodnotí teplotní diferenci a pokud překročí nastavenou hodnotu, sepne se oběhové čerpadlo kolektoru. Pokud teplotní diference mezi absorbérem kolektoru a nádrží poklesne, čerpadlo je vypnuto.

30

4 Dosažené výsledky na objektu biotechnologické haly Experimentální činnost v biotechnologické hale byla zaměřena na sledování, zaznamenávání a vyhodnocování energetických parametrů biotechnologického zařízení, kterým je uzavřený koncentrační biokultivátor. Součástí tohoto zařízení je solární systém integrovaný do jižního střešního a fasádního pláště haly a je v převážné míře určen k výrobě tepla potřebného na ohřev řasové suspenze v průběhu kultivace. Získanými výsledky z měření byla stanovena využitelnost dopadajícího slunečního záření pro jednotlivé části energetického systému a zhodnocena funkčnost technického řešení. Díky detailnímu měření a zaznamenávání energetických toků v tomto systému bylo možné experimentálně ověřit výsledky matematické simulace tohoto systému prováděné v programovém prostředí TRNSYS. Porovnáním těchto hodnot se posoudila aplikovatelnost simulačního programu TRNSYS v projekční činnosti složitějších energetických systémů určených pro biologické aplikace.

4.1 Měření energetických parametrů v biotechnologické hale V této kapitole je podrobně popsán koncentrační trubicový biokultivátor, solární systémy s koncentračními translucentními kolektory a plochými kolektory určenými na přípravu teplé vody pro potřeby kultivačních procesů a jsou zde popsány systémy měření, regulace a archivace dat. V závěru je uveden příklad zhodnocení dopadající sluneční radiace na plochu střechy jednotlivými sledovanými systémy.

4.1.1 Hlavní součásti kultivačního systému a princip činnosti (střešního, fasádního) Koncentrační řasový kultivátor obsahuje primární a sekundární okruh. V primárním okruhu cirkuluje řasová suspenze a zabezpečuje všechny funkce, které jsou důležité pro kultivaci řas. Sekundární okruh slouží k nastavení a udržení požadované teploty řasové suspenze v průběhu kultivace. Primární okruh je tvořen: − koncentračním systémem SOLARGLAS - skleněné trubice, absorbéry slunečního záření, pohyblivý rám s pohybovým mechanismem, − retenční nádrží s ohřevem resp. chlazením, − protiproudým trubkovým výměníkem tepla, − peristaltickým oběhovým čerpadlem s plynulou regulací otáček, − potrubními rozvody a armaturami autotrofní kultivace, − měřící a regulační technikou (čidla O2, pH, zákalu). Skleněné trubice tvoří hlavní prostor pro kultivaci řas. Jsou vyrobené ze skla SIMAX (chemické sklo). Vnitřní průměr trubic je 50 mm, vnější 60 mm. Jsou pevně uchyceny k pohyblivému rámu s roztečí, která kopíruje rozteč os jednotlivých čoček osazených v obvodovém plášti. Absorbéry slunečního záření slouží pro přeměnu koncentrovaného přímého záření slunce na teplo, odvedené do zásobníku teplonosnou látkou – vodou. Absorbéry jsou umístněné v sousedství skleněných trubic a jsou také připevněné k pohyblivému rámu. Pohyblivý rám s pohybovým mechanizmem slouží k fixaci skleněných trubic a absorbérů a k jejich navádění do místa maximálního ozáření zkoncentrovaného čočkou. Rám s absorbéry se pohybuje v optimální vzdálenosti 400 31

mm od skla. Rám je zavěšen na kladkách, které se volně odvalují po výkyvných hrazdách. Pohyb rámu s absorbéry zajišťuje pohybový mechanismus, umístěný uprostřed nosné konstrukce rámu. Retenční nádrž je uzavřená nádrž kuželovitého tvaru, vyrobená z nerezové oceli. Suspenze stéká v tenké vrstvě po ploše kužele, přičemž dochází k jejímu odkysličování. Ve spodní části je umístněn válcový dvouplášťový výměník tepla, který slouží k udržování požadované teploty řasové suspenze při cirkulaci v udržovacím okruhu. Protiproudý trubkový výměník tepla je vyrobený z nerezové oceli. Řasová suspenze protéká vnitřní trubicí o průměru 40 mm. Vnější trubicí o průměru 80 mm protéká v opačném směru voda, která slouží k udržení řasové suspenze v požadovaných teplotních parametrech v době kultivace řas. Peristaltické oběhové čerpadlo bylo zvoleno z důvodu šetrného provozu k řasám a zabezpečuje cirkulaci řasové suspenze v primárním okruhu autotrofní kultivace. Má plynule regulovatelné otáčky motoru frekvenčním měničem. Regulace otáček je ruční. Potrubní rozvody a armatury autotrofní kultivace vzájemně propojují jednotlivé části systému mezi sebou tak, aby se vytvořil kultivační resp. udržovací okruh. Trubice a armatury jsou vyrobené z PVC o vnitřním průměru 40 mm. V částech potrubí, kde jsou umístněná měřící a regulační čidla, jsou rozvody spojené šroubovacími spoji z důvodu možnosti rozebrání a důkladného očištění exponovaných části potrubí. Pohyblivá část systému tj. skleněné trubice jsou s nepohyblivou části propojené transparentní potravinářskou hadicí o vnitřním průměru 50 mm. Měření a regulace jsou rozděleny na dvě části. První část obsahuje teplotní čidla a naváděcí systém, který zabezpečuje požadovanou teplotu řasové suspenze v kultivačním procesu a navedení skleněných trubic resp. absorbérů do místa maximálního ozáření v období pracovní činnosti kultivátorů. Druhá část zabezpečuje kvalitu řasové suspenze z hlediska biologických parametrů ( pH, O2, sycení CO2 atd. ). Princip a popis činnosti kultivátoru: Hlavní úlohou kultivátoru je pěstování řas ve vodním roztoku za účelem získávání cenných biologicky aktivních látek. Na počátku kultivace je pomocí produktovodů naplněna retenční nádrž zředěnou řasovou suspenzí (obsahující řasové kultury a živný roztok). U fasádního kultivátoru o min. objemu 60 litrů a max. objemu 110 litrů. U střešního kultivátoru o min. objemu 80 litrů a max. objemu 200 litrů. Řasový substrát je peristaltickým čerpadlem hnán ze spodní části retenční nádrže do “měřicí smyčky“ kde jsou umístněna čidla na měření pH, O2 a zákalu (turbidity). Mezi ventily je vsazen z jedné strany plastový kříž a T- kus, které je osazen čidly na měření pH a kyslíku a z druhé strany je vsazen nerezový kříž, který je možné osadit čidlem na měření turbidity. Trojcestnými ventily je možné nastavit proudění substrátu oběma částmi měřící smyčky současně nebo jenom jednou z nich, přičemž ta druhá se v případě potřeby může úplně odmontovat a vyčistit. Z měřící smyčky je substrát čerpán k dalšímu trojcestnému mechanickému ventilu, kterým se ručně nastaví, zda suspenze bude proudit kultivačním nebo udržovacím okruhem. − Pokud proudí kultivačním okruhem, pak suspenze je čerpána transparentní potravinářskou hadicí do skleněných trubic. Celková délka skleněné trubice je u fasádního kultivátoru cca 24 m a u střešního kultivátoru 30 m. Průměr trubic je 5 cm. Trubice se nachází v ohnisku čoček, kde na řasy dopadá zkoncentrované sluneční záření (koeficient koncentrace 2.5). Za 32

−

přítomnosti světla dochází k fotosyntéze, při které je spotřebováno CO2 a vylučuje se O2. Přebytečným zářením se suspenze ohřívá. Ze skleněných trubic řasová suspenze proudí opět transparentní potravinářskou hadicí do protiproudého trubicového výměníku tepla, kde je podle potřeby dohřívána nebo ochlazována. Na vstupu a výstupu ze skleněných trubic jsou měřeny teploty suspense, na základě kterých je možné určit množství tepla absorbovaného řasovou suspenzí. Na základě výstupní teploty řasové suspenze se určuje, jestli je potřebné ve výměnících suspenzi dohřívat nebo chladit. Výměník je ve tvaru “U“ z důvodu trvalého naplnění řasovou suspenzí, čímž je docíleno jeho maximálního využití. Z výměníku řasová suspenze odtéká do retenční nádrže přes škrtící kohout a T-kusy, kde je také možné umístnit čidla na měření pH a O2 . V kuželovité části retenční nádrže, kam řasová suspenze natéká v tenké vrstvě, se zbavuje O2 a následně se sytí CO2. Pokud proudí udržovacím okruhem, Pak se řasová suspenze vrací zpět do retenční nádrže. Krátký okruh je využíván v noční době, nebo pokud není dostatečná radiace pro kultivaci řas, tj. přímé sluneční záření je minimální (zamračené počasí) a převládá difusní záření.

Obr. 4.1 Schéma kultivační jednotky se zobrazením rozmístnění jednotlivých čidel

Sekundární okruh je tvořen: − akumulačními nádržemi − rozdělovači a směšovači s kulovými ventily − protiproudými trubkovými výměníky tepla − tepelným čerpadlem s topnou teplovzdušnou jednotkou SAHARA, − spojovacím potrubím, směšovacími armaturami a elektromagnetickými ventily pro nastavení správného pohybu vody systémem 33

Akumulační nádrže Slouží jako hlavní zdroj energie pro ohřev a chlazení řasové suspenze a jako akumulátor sluneční energie získané kolektory a řasovými kultivátory. V hale se nacházejí čtyři akumulační nádoby na TV, každá o objemu 2.5 m3. Ve dvou nádržích je udržována teplá voda na ohřev suspense a ve dvou nádržích je studená voda na její chlazení. Rozdělovače – sběrače s kulovými ventily Slouží pro regulaci teploty řasové suspenze. Jejich pomocí se teplá nebo studená voda rozvádí z akumulačních nádrží do trubicového výměníku a do spodní části retenční nádrže, kde je dvouplášťový výměník tepla. Protiproudý trubkový výměník tepla Je místem, kde dochází k propojení primárního a sekundárního okruhu. Slouží k odběru nebo dodávce tepla do řasové suspense, a tím k udržení optimální teploty pro kultivaci daného druhu řasy. Tepelné čerpadlo a teplovzdušná jednotka SAHARA Udržují teplotu vody v akumulačních nádržích na požadovaných teplotách. Tepelné čerpadlo vodu ochlazuje tak, odebírá teplo z nádrží se studenou vodou, určených k chlazení řasové suspenze, a přečerpává jej do nádrží s teplou vodou, které se ohřívají. Vzduchotechnickou jednotkou SAHARA je odčerpávána přebytečná energie z nádrží A1 a A2, především v nočním období, kdy je voda z nádrží ochlazována exteriérovým vzduchem. Popis funkce: Sekundární okruh slouží k udržení řasové suspenze na požadované teplotě. Při jeho návrhu se vycházelo z požadavků navrhovatele na udržení teploty řasové suspenze v rozsahu 25° až 30°C , z klimatických podmínek v lokalitě Nové Hrady a z tepelných výkonů a rozložení teplotních hladin jednotlivých solárních kolektorových systémů. Z těchto hodnot byl stanoven celkový akumulační objem na 10 m3 vody. Objem byl rozdělen jak z hlediska uživatelského, tak manipulačního do 4 nádrží po 2,5 m2. Jejich propojení se dvěma cirkulačními čerpadly, dvěma zpětnými klapkami a třemi elektromagnetickými ventily dovoluje: 1. Udržovat nádrž A1 nejchladnější a nádrž A4 nejteplejší (označení Obr. 4.2 3D model kultivačních jednotek viz. Obr. 4.3 ). 2. Chladit nejstudenější nádrž A1 nezávisle na ostatních. 3. Přečerpávat vodu mezi jednotlivými nádržemi ve dvojici mezi „studenými“ (A1, A2) a „teplými“ A3,A4). 4. Přečerpávat vodu mezi jednotlivými dvojicemi „studených“ (A1,A2) a „teplých“ (A3,A4). 5. Ochladit celou soustavu jednotkou SAHARA a tepelným čerpadlem. Z hlediska kultivace řas je voda z akumulačních nádrží používána: 1. Na chlazení řasové suspenze v protiproudém nerezovém trubkovém výměníku, kde je průtok regulován ve zpětné vazbě trojcestnou směšovací armaturou v závislosti na teplotě proudící suspenze pomocí PI regulátoru.

34

2. Na odběr tepla z fototermálních Al absorbérů, paralelně umístěných na rámu vedle skleněných trubic.(aby se zabránilo přehřátí interiéru při přehřátí či přesvětlení řasové suspenze). 3. Na ohřev či temperování řas v retenčních nádržích. VÝMĚNÍKY

KULTIVÁTORY

ROZDĚLOVAČ SBĚRAČ

A4

A 3

A 2

A 1

PERILSTATICKÉ ČERPADLÁ

A 5

SAHARA

RETENČNÍ NÁDRŽE

Obr. 4.3 3D model kultivačních jednotek instalovaných v biotechnologické hale

Obr. 4.4 Střešní a fasádní koncentrační biokultivátor

35

1 - Čočky korigované pro kolmý dopad slunečního záření 2 - Čočky korigované pro šikmý dopad slunečního záření 3 - Skleněné trubice a absorbéry slunečního záření 4 - Pohyblivé rámy s pohybovým mechanizmem 5 - Retenční nádrže 6 - Protiproudé výměníky tepla 7 - Perilstatické oběhové čerpadla 8 - Potrubní rozvody a armatury autotrofní kultivace 9 - Rozdělovač – sběrač teplé resp. studené vody

Obr. 4.5 Hlavní součásti koncentračních biokultivátorů

36

4.1.2 Energetické systémy a jejich funkce v biotechnologické hale Koncentrační kolektory V hale jsou umístěna tři pole koncentračních kolektorů typu SOLARGLAS. V každém poli je jeden střešní kolektor o ploše 15 m2 a jeden fasádní kolektor o ploše 9 m2. Teplo z koncentračních kolektorů je akumulováno do akumulační nádoby A3. Pokud je teplota na některém z absorbérů vyšší o více než 5°C než teplota v zásobníku, regulátor sepne oběhové čerpadlo a dochází k odběru tepla z kolektorů. Samostatným prvkem regulačního systému je navádění absorbérů do ohnisek čoček. To je zaručeno elektronickým systémem, který je součástí kolektorů SOLARGLAS a kromě toho zabezpečuje také vyvedení absorbérů z ohniska v případě přehřátí. Ploché kapalinové kolektory V tomto okruhu je celkem 16 plochých kolektorů se selektivní vrstvou HELIOSTAR N202 od slovenské firmy THERMO/SOLAR ze Žiaru nad Hronom, rozdělených do 4 sekcí. Kolektory jsou součástí jižního střešního pláště haly. Kolektory jsou napojeny na akumulační nádobu A4, která slouží pro účely kultivací řas a na akumulační nádobu A5 o objemu 500 l, které slouží k přípravě teplé vody (TV). Akumulační okruh Součástí solárního, ale i topného systému a přípravy TUV jsou čtyři stojaté akumulační nádrže o celkovém objemu 10 m3. První tři nádrže A1,A2,A3 jsou propojeny paralelně a na větvi studené vody je mezi A1 a A2 osazeno cirkulační čerpadlo se zpětnou klapkou a na vstupech do A1 a A3 jsou osazeny elektromagnetické ventily. K první nádrži A1 je paralelně připojena chladící jednotka SAHARA. Nádrže A1 a A2 slouží jako zdroj chladící kapaliny pro řasové kultivátory a čerpadly a ventily lze ohřátou vodu přečerpat do nádrže A3, kam jsou napojeny koncentrační kolektory a která je zapojena do série s nádrží A4. Nádrž A4 je vždy nejteplejší a slouží jako zdroj tepla pro kultivační zařízení, TV i otopnou soustavu. Pro přípravu TV slouží trivalentní akumulační zásobník se třemi výměníky. V nejspodnější části je umístěn solární výměník, který je včleněn do okruhu solárních kolektorů HELIOSTAR. Ten zajišťuje zásobování teplem v období slunečního svitu. Pokud nesvítí slunce, ale jsou ohřáté akumulační nádrže, využije se prostřední výměník a cirkulační čerpadlo. Teplo se do bojleru přečerpá z akumulační nádrže A4. Pokud bude vyčerpána i energie z nádrže A4, bude využit horní výměník, který je napojen na okruh plynových kotlů. Bude ohřívána jenom horní část bojleru zdrojem s velkou výhřevností a malou setrvačností.

Obr. 4.6 3D model solárních systémů instalovaných v hale

37

Je použita dvoučidlová regulace, která sepne oběhové čerpadlo v závislosti na rozdílu teplot v horních kolektorech a v nádrži A4 nebo A5. Zapojení kolektorů je zjevné ze schematu. Jednotlivé kolektory jsou zapojeny paralelně do rovnotlakého sytému dle Tychelmana a všechny koncentrační kolektory jsou zapojeny do nádrže A3, tj. studenější z dvojice teplých nádrží A3,A4. Ploché kapalinové kolektory jsou zapojeny do nádrže A4 resp. A5.

Obr. 4.7 Ploché kolektory zabudované do střešního pláště a fasádní koncentrační kolektor

38

Obr. 4.8 Funkční schéma zapojení kultivačních jednotek a solárních systémů

39

4.1.3 Systémy měření a regulace v biotechnologické hale V biotechnologické hale jsou dva samostatné regulační systémy, které spolu díky dodavatelsko – odběratelským vztahům nekomunikují. Prvním systémem je regulační jednotka, kterou dodala společnost ČES, s.r.o., která reguluje vytápění a větrání haly a chod klimatizačních jednotek, udržujících požadovanou teplotu a výměnu vzduchu v čistých prostorách haly. Tato regulace je předem nastavená podle provozních podmínek. Nezaznamenává žádné měřené hodnoty. Je čistě určená k samotné regulaci, bez možnosti dalšího zpracování dat. Druhý regulační systém je určen k regulaci kultivačních procesů na koncentračních střešních i fasádních biokultivátorech a k regulaci solárních systémů, které jsou v hale instalovány. Je to systém, který byl v rámci projektu vyvinut a který kromě regulace také monitoruje všechny systémy a zaznamenává všechny parametry kultivací. Jednotná regulace kultivace řas a solárních kolektorů je výhodná z toho důvodu, že technologie kultivace řas a technologie solárních systémů jsou vzájemně propojeny přes akumulační nádoby, do kterých se akumulují tepelné zisky ze slunečních kolektorů a z kterých je teplo dále využíváno k ohřevu řasové suspenze v průběhu kultivace. Regulace zabezpečuje správný chod solárních systémů – hlavního zdroje tepla využívaného v kultivátorech, reguluje cirkulaci teplé resp. studené vody z akumulačních nádrží do výměníků tepla v kultivátorech a reguluje samotné kultivační jednotky tak, aby kultivace řas probíhala za požadovaných podmínek. Důležitou vlastností regulace je její schopnost ukládat měřená data do externího souboru. Tato data jsou velice cennou součástí celého systému, protože umožňují zpětné vyhodnocování energetické náročnosti kultivačního procesu. Je registrováno, kolik energie potřebné na ohřev řasové suspenze je získáno ze slunečních kolektorů a kolik energie je nutno dodat externím zdrojem tepla. Je známo, jaké byly kultivační podmínky v průběhu kultivace (pH, turbidita, O2, CO2), jakou intenzitou slunečního záření byla řasová suspenze osvětlena v průběhu dne i celého kultivačního cyklu. Díky těmto hodnotám je možné optimalizovat kultivační režimy a tak zlepšovat využitelnost kultivačních jednotek. Celý regulační systém je graficky zobrazen na počítači. Program zobrazuje on-line všechny měřené hodnoty v regulovaných okruzích, což umožňuje zhodnotit aktuální stav kultivačního procesu resp. solárního systému a v případě potřeby přímo upravit hodnoty sledovaných parametrů. Měření a Regulace (MaR) kultivace řas V hale jsou instalovány čtyři kultivační jednotky. Dvě střešní s 15m2 plochou Fresnelových čoček a dvě fasádní s 9m2 plochou Fresnelových čoček. Na každé z nich jsou měřeny následující veličiny, které slouží k regulaci požadovaných parametrů řasové suspenze a které jsou ukládány v 15 min. intervalu do paměti počítače: − tři teploty řasové suspenze, − na vstupu do skleněných trubic, − na výstupu ze skleněných trubic, − na dně retenční nádrže, − pH, O2, turbidita, − na vstupu do skleněných trubic − na výstupu ze skleněných trubic − intenzita slunečního záření dopadajícího na skleněné trubice – měří se pyranometrem umístněným v rovině skleněných trubic,

40

− teploty vody sekundárního okruhu biokultivátoru na vstupu a výstupu z trubkového protiproudého výměníku resp. retenční nádrže, − průtok vody cirkulující výměníkem a retenční nádrží v sekundárním okruhu, − množství ochlazené vody klimatizační jednotkou SAHARA a tepelným čerpadlem z AKU1, která se používá k chlazení řasové suspenze v průběhu kultivace řas. Teploty řasové suspenze, pH, O2 a turbidita jsou základní veličiny, měřené v průběhu kultivačního procesu, které určují kondici a stav kultivované řasy. Pro udržení požadovaného pH se řasové suspenze dosycuje CO2. Na základě nastavené požadované teploty řasové suspenze a teplot regulační program rozhodne, zda v dané chvíli řasovou suspenzi chladit nebo ohřívat. Znalost intenzity dopadajícího slunečního záření na plochu trubic je důležitým parametrem, který přímo s regulací kultivace řas nesouvisí, ale je to důležitá hodnota na které závisí produkce cenných látek řasou. Na základě těchto výsledků je možné následně optimalizovat kultivační procesy. Měření radiace dopadající na skleněné trubice, teploty a průtoků vody v sekundárním okruhu slouží také k zjišťování energetických toků v kultivačních jednotkách. Lze určit energetické příkony kultivačních jednotek od slunečního záření a také energetické výdaje, spojené s chlazením resp. topením řasové suspenze vodou ze sekundárního okruhu, které jsou závislé na intenzitě slunečního záření a nastaveném kultivačním režimu pro jednotlivé kultivační jednotky. Díky měření výše popsaných hodnot je regulace schopna nezávisle ve všech čtyřech kultivátorech samostatně udržovat požadovanou teplotu řasové suspenze, automaticky regulovat sycení CO2 na základě měřeného pH a udržovat skleněné trubice v ohnisku čoček nebo je z ohniska vyvést. MaR solární systém K přípravě tepla, potřebného v kultivačních procesech a k přípravě TV jsou využívány koncentrační a ploché sluneční kolektory, které jsou součástí jižního obvodového pláště haly. Pro dosažení správného chodu těchto kolektorů je nezbytné měřit následující veličiny: − teploty v akumulačních nádržích – v horní a spodní částí nádrží (v nádrži na přípravu TV se teplota také měří ve středu nádrže), − teploty na vstupu a výstupu ze slunečních kolektorů – tyto teploty jsou měřeny na armaturách těsně před vstupem resp. za výstupem z akumulačních nádrží, − teploty na absorbérech slunečních kolektorů, − průtoky teplonosné látky (Solaren, voda) v jednotlivých okruzích slunečních kolektorů, − sluneční radiace dopadající na horizont a na plochu střešního pláště. Měření těchto hodnot je důležité nejen z hlediska regulace solárních systémů, ale také z hlediska zjištění energetických příkonů a výkonů jednotlivých kolektorových polí a k následnému výpočtu energetických účinností v rámci jednotlivých solárních systémů. Regulace solárních systémů na základě porovnání nastavených parametrů a naměřených hodnot zabezpečuje správné spínání oběhových čerpadel mezi kolektory a akumulačními nádržemi. U plochých černých kolektorů také určuje, do které z dvou nádrží AKU4 resp. AKU5 bude teplo akumulováno. Je hlídán havarijní stav systému, aby nedocházelo k přehřívání kolektorů.

41

Měření teploty řasové suspenze na vstupu a výstupu ze skleněných trubic

Čidla na měření pH, O2 a turbidity

Teplota na vstupu a výstupu z retenční nádrže

Teplota na vstupu a výstupu z trubkového výměníku

Měření množství dopadajícího slunečního záření na trubice

Tepelné čerpadlo s měřením odebratého tepla z AKU1/AKU2 do AKU3

Teplota vody na vstupu a výstupu z plochých kolektorů

Průtok teplonosné látky v plochých kolektorech

Teplota vody na vstupu a výstupu z koncentračních kolektorů

Průtok vody v koncentračních kolektorech

Obr. 4.9 Snímky zobrazující jednotlivá místa měření čidly a řídící panely regulace solárních systémů a kultivačních jednotek v PC

4.1.4 Zhodnocení výsledků měření energetických toků v hale V prosinci roku 2004 byla hala oficiálně předána do užívání. Rok 2005 byl tak prvním rokem, kdy v hale proběhaly kultivační experimenty a byl monitorován chod solárních a kultivačních technologií. Z pohledu této práce, zaměřené na měření a výpočty energetických toků v hale a technologiích v ní se nacházejících, bylo velice důležité doladit systém měření a regulace tak, aby ze zaznamenaných hodnot bylo možné určit kolik energie dopadlo na plochu prosklené fasády a střechy biotechnologické haly a jak tato sluneční radiace byla následně využita. V konečném uspořádaní systém MaR zaznamenával 167 hodnot v 15 minutovém intervalu. V této databázi byly uloženy hodnoty globální radiace i radiace dopadající na 42

plochu střechy, venkovní teplota vzduchu, dále hodnoty měřených teplot a průtoků na měřených místech kultivačních, kolektorových a akumulačních okruhů a také se na základě výpočtů ukládaly hodnoty dodaného resp. odebraného tepla v jednotlivých okruzích. Pro snadnější orientaci v datech jsem sestavil tabulku (viz. Tabulka 4.1) obsahující: − denní sumy sluneční radiace vztažené na 1m2 plochy a také vztažené na plochy jednotlivých častí jižní střechy i fasády (dopadlé sluneční záření na plochu plochých a koncentračních kolektorů a na plochu jednotlivých kultivátorů), − denní sumy tepelné energie akumulované i využité ze všech pěti akumulačních nádrží, přičemž každá akumulační nádoba má zvlášť uvedeno z jakých zdrojů teplo do nádrží proudilo a v jakých zařízeních bylo spotřebováno, − samostatnou položkou jsou také zhodnoceny energetické potřeby jednotlivých biokultivátorů na chlazení resp. topení řasové kultury v protiproudém výměníku a retenční nádobě. Tyto výsledky nám poskytly ucelený pohled na toky tepelné energie v celém sledovaném systému. V Tabulka 4.1 jsou pro rok 2005 a měsíc srpen tyto toky znázorněny. Z tabulky je možné vyčíslit, jaké procento sluneční radiace, které dopadlo na jižní fasádu resp. střechu, bylo využito jednotlivými technologiemi a kolik energie prošlo zasklením do interiéru haly a podílelo se na ohřevu vnitřního vzduchu. Ještě názornější příklad disipace sluneční radiace dopadající na plochy jižní střechy Biotechnologické haly z 1.8.2005 znázorňuje následující blokový diagram (Obr. 4.10). Celková sluneční radiace, která dopadla na plochu střechy o velikosti 139m2 činí 957 kWh. Z toho 220 kWh (23%) dopadlo na ploché kolektory o ploše 32 m2 a zbylých 737 kWh (77%) dopadlo na transparentní části střešního pláště s plochou 107 m2. Kolektory využily na ohřev vody v akumulačních nádobách 59kWh (6.2%) energie. Do interiéru haly se dostalo přes skla 494 kWh (52%) sluneční radiace. Na instalovaných vnitřních technologiích v hale tj. na koncentračních kolektorech a biokultivátorech se zachytilo 47 kWh energie (5%), zbylá energie tj. 447 kWh (47%) zůstalo v interiéru haly a ohřála vnitřní vzduch a stavební konstrukce haly nebo byla přes otevřena okna odvětrána. Z celkové dopadající radiace na plochu střechy se dokázalo slunečními kolektory a biokultivátory využít 11% energie, zbylých až 89% dopadající sluneční radiace zůstalo solárními technologiemi nevyužito. Přitom 78% plochy střechy je osazeno technologiemi pro využívání sluneční energie. Z měřených hodnot jsme schopni zpětně sestavit energetickou bilanci objektu biotechnologické haly a v jednotlivých technologických částech. Jsou to informace, které je možné využít k samotnému vyhodnocování těchto dějů nebo pro následnou optimalizaci technologií, které jsou na úrovni prototypů nebo zkušebních zařízení.

43

Q AKU3

Q AKU4

Q AKU5

Q slunko

Tabulka 4.1 Přehled všech měřených energetických toků v systémech biotechnologické haly

Reaktor 4 Reaktor 3 Reaktor 2 Reaktor 1 Q AKU1

Q AKU2

Chlad. jed. Sahara Účinno sti

Q [kWh] Slunko - global 1m2 Slunko - střecha 1m2 Slunko - fasáda 1m2 Slunko - střecha 107m2 Slunko - fasáda 69m2 Slunko - Heliostar Slunko - SG1 střecha Slunko - SG1 fasáda Slunko - reaktor střecha Slunko - reaktor fasáda Slunko - okna z Heliostarov z Kotlů z AKU4 spotřeba TUV do AKU4 z Heliostarov z AKU5 z TČ z UT do AKU5 do UT do Zámku do Reaktorů z SG1 fasáda z SG1 střecha z TČ do Zámku do Reaktorů z AKU1 z Reaktorů do AKU2 do TČ do SAHARY do AKU1 z výměník do AKU1 z retenční nádrž z AKU4 do výměník z AKU4 do retenční nádrž do AKU1 z výměník do AKU1 z retenční nádrž z AKU4 do výměník z AKU4 do retenční nádrž do AKU1 z výměník do AKU1 z retenční nádrž z AKU4 do výměník z AKU4 do retenční nádrž do AKU1 z výměník do AKU1 z retenční nádrž z AKU4 do výměník z AKU4 do retenční nádrž do VZT do exteriéru Heliostar SG1 střecha SG1 fasáda

1.8 6,5 6,9 3,8 736 262 220 310 103 206 68 91 16

2.8 5,7 6,1 4,3 648 297 194 272 116 182 77 103 16

3.8 2,6 2,4 1,0 257 67 77 108 26 72 17 23 0

4.8 3,0 2,5 1,9 270 131 81 114 51 76 34 46 4

5.8 5,8 5,9 3,6 629 251 188 264 98 176 65 87 19

6.8 4,0 4,2 1,9 445 129 133 187 50 125 34 45 8

7.8 3,7 3,7 4,3 401 296 120 168 116 112 77 103 21

8.8 3,3 3,2 2,3 344 158 103 145 62 97 41 55 4

9.8 5,0 5,2 3,1 554 211 166 233 82 155 55 73 22

10.8 5,1 5,2 2,1 557 147 166 234 57 156 38 51 15

11.8 6,7 7,3 4,6 777 315 232 327 123 218 82 110 21

12.8 4,6 4,5 3,0 483 204 145 203 80 136 53 71 15

13.8 3,7 3,8 2,7 406 186 122 171 73 114 49 65 0

14.8 4,1 4,0 1,8 427 124 128 180 48 120 32 43 0

15.8 1,0 0,7 0,2 71 13 21 30 5 20 3 5 0

16.8 0,1 0,0 0,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

DNI 17.8 1,0 0,8 1,0 83 72 25 35 28 23 19 25 0

18.8 5,5 6,3 5,2 660 359 201 282 140 188 94 125 13

19.8 5,0 5,2 4,0 558 275 167 235 107 157 72 95 4

20.8 2,2 2,0 0,7 214 47 64 90 18 60 12 16 0

21.8 2,4 2,3 1,3 251 91 75 106 36 70 24 32 0

22.8 1,9 1,8 1,4 198 98 59 83 38 55 26 34 0

23.8 3,5 3,6 1,8 382 124 114 161 49 107 32 43 0

24.8 1,8 1,6 1,6 173 108 52 73 42 48 28 37 0

25.8 4,1 4,3 1,7 465 115 139 196 45 130 30 40 0

26.8 3,0 3,0 1,1 325 76 97 137 30 91 20 26 0

27.8 5,1 5,6 4,3 604 294 181 254 115 169 77 102 6

28.8 2,7 3,0 2,8 326 195 97 137 76 91 51 68 0

29.8 5,9 7,2 6,4 767 441 229 323 172 215 115 153 15

30.8 4,3 5,4 5,2 578 359 173 243 140 162 94 125 13

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 43 26 0 0 43 29 7 5 28 48 56 25 23 32 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -55,2 -47,2 -28,2 -23,7 -34,6 10,3 7,8 11,2 7,8 11,7 5,0 8,1 4,0 4,9 0,8 0,0 109 106 176 127 66 42 73 106 7 0 22 0 54 54 71 198 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 6 5 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 49,4 51,3 68,2 81,8 75,6 151,3 117,7 120,9 113,3 241,2 207,4 126,8 141,7 123,6 114,7 66,3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 31 25 0 0 11 10 9 2 12 17 34 9 4 7 0 0

0 0 0 4,2 160 0 2 0 48,8 0 0

0 48 0 -12,1 67 0 0 0 35,5 0 19

0 35 0 11,2 0 0 0 0 42,8 0 8

0 7 0 6,0 81 0 2 0 49,4 0 0

0 5 0 4,8 70 0 4 0 45,0 0 0

0 13 0 3,7 0 0 0 0 96,6 0 0

0 34 0 3,5 0 0 0 0 95,8 0 3

0 6 0 3,3 0 0 0 0 47,9 0 0

0 36 0 5,6 0 0 0 0 7,0 0 9

0 17 0 4,3 0 0 0 0 7,2 0 3

0 39 0 7,4 0 0 0 0 7,0 0 10

0 16 0 3,6 0 0 0 0 2,1 0 10

0 46 0 7,6 0 0 0 0 3,0 0 36

0 0 33 55 0 0 0,3 1,5 0 0 0 0 0 0 0 0 54,2 168,0 0 0 29 34

0 758 0 -62,3 1590 0 30 0 2562 0 333

16,1

12,7

7,2

8,0

11,8

11,1

7,8

11,2

7,8

218

0,0 0,0 0,2 24,3 10,5 0,0 0,0 0,0 1,6 1,2 0,6 5,4 2,9 0,0 18,9 0,0

0,0 0,0 0,3 26,7 9,9 0,0 1,6 0,0 0,3 0,0 0,7 4,7 2,5 0,0 17,3 0,0

0,0 0,0 1,3 40,6 4,8 0,0 0,2 0,0 0,4 0,4 0,1 6,0 1,5 0,0 20,1 0,0

0,0 0,0 12,3 37,2 3,6 0,0 0,4 0,0 1,1 1,1 0,1 5,1 2,2 0,0 26,6 0,0

0,4 0,0 11,9 34,6 5,6 0,0 0,4 0,0 2,4 1,4 0,3 1,4 2,0 0,0 27,0 0,0

0,0 0,5 44,2 27,2 7,5 0,0 0,0 0,0 0,5 0,3 0,5 1,5 2,3 0,0 77,9 0,0

0,0 1,2 57,0 27,5 5,6 0,0 0,4 0,0 0,0 0,6 0,4 1,9 0,4 0,0 30,5 0,0

0,0 1,2 36,3 28,8 8,8 0,0 14,8 0,0 0,0 1,2 0,7 1,3 0,0 0,0 39,0 0,0

0,0 0,0 0,0 0,0 1,2 0,0 0,0 0,0 42,5 52,2 40,6 34,9 26,6 24,8 25,3 33,3 4,2 5,4 8,4 3,9 0,0 0,0 0,0 0,0 2,6 2,9 2,9 4,5 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 3,6 3,3 1,0 0,3 0,1 0,3 1,1 0,3 0,5 0,1 0,2 1,3 8,4 8,0 2,5 2,0 2,6 0,9 2,7 0,0 0,0 0,0 0,0 39,9 152,4 130,5 51,4 0,0 0,0 0,0 0,0

71 27 10 0

60 22 9 0

35 0 0 0

32 5 0 0

46 33 4 0

1 28 5 0

0 24 6 0

0 9 1 0

0 31 5 0

11,7

0 38 7 0

12,9

8 33 10 0

8,8

1 28 4 0

31.8 SUMA 119 5,5 125 6,8 85 5,8 727 13317 5846 404 3987 217 5606 306 2287 158 3738 204 1525 105 2033 140 226 13 0

4,0

4,9

0,8

0,0

7,8

9,9

11,2

6,0

5,1

3,7

3,5

3,3

5,6

4,3

7,4

3,6

7,6

0,3

0,0 0,0 59,9 23,4 2,9 0,0 2,7 0,0 0,5 0,7 0,2 1,7 0,0 0,0 53,7 0,0

0,0 0,0 42,1 23,2 3,5 0,0 2,0 0,0 1,1 0,3 0,3 1,9 0,0 0,0 54,2 0,0

0,0 0,0 42,0 26,9 0,7 0,0 7,4 0,0 0,1 0,0 0,1 2,8 0,0 0,0 35,5 0,0

0,0 0,0 30,8 27,5 0,0 0,0 5,4 0,0 0,0 0,0 0,0 2,7 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0 34,8 0,0 0,0 0,0 0,0 3,8 4,0 4,9 9,1 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0 32,7 7,3 0,0 0,0 0,0 1,6 1,0 0,0 2,7 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 2,7 35,8 8,0 0,0 0,0 0,0 2,4 0,8 0,5 3,8 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 12,8 35,5 4,7 0,0 0,0 0,0 1,1 0,2 0,2 0,9 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 2,3 42,7 5,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 75,6 21,0 3,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 78,4 16,8 3,5 0,0 0,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0,6 0,9 38,3 9,2 1,8 0,0 0,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

1,0 0,3 0,9 5,3 4,3 0,0 0,8 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

1,5 0,2 1,0 5,4 2,5 0,0 0,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

1,2 0,0 1,0 5,4 6,2 0,0 0,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0,2 0,0 0,0 1,0 3,5 0,0 1,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

0,0 0,0 0,0 0,0 7,5 0,0 0,7 0,0 0,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 2,3 0,0

0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,5 0,0 0,0 0,0 3,8 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,3 0,0 0,0 0,0 54,2 164,2 0,0 0,0

0 19 2 0

0 25 4 0

0 0 0 0

0 0 0 0

4 0 0 0

22 30 7 0

0 23 3 0

0 12 0 0

0 6 0 0

0 23 0 0

0 30 2 0

0 11 0 0

0 26 5 0

0 17 2 0

0 25 4 0

0 16 7 0

0 27 11 0

44

0 27 12 0

1,5

0 31 11 0

0

5 5 722 703 145 0 57 0 25 15 11 73 23 0 996 0

280 25 6 0

DOPADAJÍCÍ RADIACE NA PLOCHU STŘECHY 139 m2 957 kWh (100%)

DOPADAJÍCÍ RADIACE NA KOLEKTORY 32 m2 220 kWh (23%)

ENERGETICKÉ ZISKY Z PLOCHÝCH KOLEKTORŮ 59 kWh (6%)

ENERGETICKÉ ZTRÁTY Z PLOCHÝCH KOLEKTORŮ 161 kWh (17%)

DOPADAJÍCÍ RADIACE NA PROSKLENÉ ČÁSTI 107 m2 737 kWh (77%)

DOPADLA NA KONCENTRAČNÍ KOLEKTORY 45 m2 310 kWh (32%)

DOPADLA NA STŘEŠNÍ BIOKULTIVÁTORY 30 m2 206 kWh (22%)

DOPADLA NA OKENNÍ ČÁSTI STŘECHY 32 m2 220 kWh (23%)

AKUMULACE ENERGETICKÝCH ZISKŮ DO AKU4 43 kWh (4.5%)

RADIACE ODRAŽENÁ A ABSORBOVANÁ IZOLAČNÍM DVOJSKLEM 102 kWh (10%)

RADIACE ODRAŽENÁ A ABSORBOVANÁ IZOLAČNÍM DVOJSKLEM 68 kWh (7%)

RADIACE ODRAŽENÁ A ABSORBOVANÁ IZOLAČNÍM DVOJSKLEM 73 kWh (7.6%)

AKUMULACE ENERGETICKÝCH ZISKŮ DO AKU5 16 kWh (1.5%)

RADIACE PROŠLÁ PŘES IZOLAČNÍ DVOJSKLO 208 kWh (22%)

RADIACE PROŠLÁ PŘES IZOLAČNÍ DVOJSKLO 138 kWh (15%)

RADIACE PROŠLÁ DO INTERIÉRU HALY 148 kWh (15.4%)

ENERGETICKÉ ZTRÁTY ENERGETICKÉ ZISKY AKUMULACE ENERGETICKÉ ZISKY HALA

41.60 %

AKUMULACE ENERGETICKÝCH ZISKŮ DO AKU3 31 kWh (3.4%)

OHŘEV ŘAS A ODVOD TEPLA DO AKU1 16 kWh (1.96%)

ENERGIE PROŠLÁ DO INTERIÉRU HALY 177 kWh (18.6%)

FOTOSYNTÉZA V ŘASÁCH 0.4 kWh (0.04%)

11.36 % 47.00 %

FOTOSYNTÉZA

00.04 %

Σ

100.00 %

Obr. 4.10 Blokový diagram zobrazující disipace sluneční radiace, která dopadla na jižní střechu biotechnologické haly 1.8.2005

45

ENERGIE PROŠLÁ DO INTERIÉRU HALY 122 kWh (13%)

4.2 Simulace biotechnologické haly a biokultivárorů V této kapitole je podrobně popsána funkční schéma zapojení matematického modelu v programu TRNSYS, výsledky simulací energetických toků a jejich verifikace s měřenými hodnotami pro biotechnologickou halu i biokultivátory.

4.2.1 Matematické modely sestavené pro biotechnologickou halu Matematický model biotechnologické haly byl vytvořen nejprve v období projekční přípravy stavby, kdy simulacemi byly zjišťovány maximální tepelné ztráty objektu, roční energetická bilance objektu a možné roční energetické zisky z jednotlivých kolektorových systémů. Výsledků těchto simulací bylo použito při projektování solárních a otopného sytému v hale, především dimenzování akumulačních nádrží. Model obsahoval detailní modul objektu a základní modul solárních systémů. Po realizaci, když již byla biotechnologická hala v provozu a probíhaly v ní experimenty s kultivacemi řasových kultur, byl v programu TRNSYS sestaven nový matematický model, zohledňující aktuální stav budovy. Celý matematický model se tak skládal z pěti ucelených modulů, které byly vzájemně propojeny a vzájemně se v průběhu simulace ovlivňovaly. Byl tedy simulován reálný stav chování objektu haly s biokultivátory a solárními systémy. Matematický model obsahoval následující moduly: − modul solárního systému tvořeného plochými černými kolektory o celkové ploše 32 m2 (model počítá teplotu na výstupu z kolektorů a teplo akumulované v akumulační nádobě AKU4 resp. AKU5), − modul solárního systému, tvořeného střešními resp. fasádními transparentními koncentračními kolektory o celkové ploše 32 resp. 27 m2 (model počítá teploty na výstupu z jednotlivých typů kolektorů a teplo dodané do akumulační nadoby AKU3), − modul biokultivátorů (model počítal potřebné množství vody na udržování požadované teploty řasové suspenze), − modul odběru energie na topení resp. chlazení z akumulačních nádrží AKU1 až AKU5 pro potřeby kultivačních jednotek a spotřeby TUV (model počítá množství energie odvedeného z AKU4 - topení resp. AKU1- chlazení do kultivačních jednotek využívaného pro regulaci teploty řasové suspenze. Na základě těchto hodnot a hodnot získaných z předchozích modelů solárních systémů počítá teploty ve spodních a vrchních částech akumulačních nádrží), − modul budovy (počítá energetické zisky a ztráty objektu, teploty v jednotlivých místnostech haly). Vzájemná provázanost jednotlivých modulů vstupními a výstupními veličinami jednotlivých prvků, z kterých byly moduly sestaveny, vytváří jeden ucelený matematický model, který popisuje energetické toky v objektu jako celku tj. ve stavební i technologické části. Pro správné výpočty energetických toků v prostorách haly a technologických systémech regulačním systémem některé monitorované hodnoty byly využívány jako vstupní data v matematickém modelu. Patřily k nim především venkovní teplota, sluneční radiace dopadající na plochu kolektorů a také radiace měřená v ohnisku čoček. Takto sestavený model bylo možné použít k porovnávání měřených energetických toků v biokultivátorech v průběhu kultivaci řas s vypočtenými hodnotami ze simulací. Simulace probíhaly v kratších časových úsecích zohledňující jeden kultivační cyklus.

46

4.2.1.1 Popis modulu solárního systému tvořeného plochými kolektory Heliostar V modulu jsou čtyři kolektorová pole o celkové ploše 32m2. Každé kolektorové pole má plochu 8m2, které představuje čtyři kolektory zapojené do série. Průtok čerpadla je nastavený na 600 l/hod. Pomocí rozdělovačů je do každého kolektorového pole přiváděno stejné množství teplonosné látky (150 l/hod.). Teplonosnou látkou je v tomto okruhu Solaren, který má specifickou tepelnou kapacitu 3.8 kJ/kgK. Z kolektorových polí se ohřátá teplonosná kapalina přes směšovač přivádí do deskového výměníku, odkud je energie předávána do akumulačních nádrží, Teplo z plochých kolektorů může být předáváno do dvou nádrží. Do akumulační nádrže číslo 4 (AKU4) nebo do akumulační nádrže číslo 5 (AKU5). AKU4 je nádrž o objemu 2.5 m3 a voda z nádrže je využívána v kultivačním procesu k ohřevu řasové suspenze. AKU5 je nádrž o objemu 0.7 m3 a je využívána na přípravu teplé užitkové vody. V obou nádržích jsou měřeny teploty ve vrchní i spodní části. Také jsou snímány teploty na vstupu do kolektorů a na výstupu z kolektorů. Na základě těchto hodnot se určuje, do které nádrže se teplo získané z plochých kolektorů odvede. Prioritou je nahřívání AKU5 na teplotu 55°C ve vrchní části nádrže. Po dosažení této teploty se teplo z kolektorů začíná ukládat do AKU4. Při dosažení teploty 65°C v AKU4 se opět teplo ukládá do AKU5. V případě, že teplota v některé nádrži je vyšší než teplota na výstupu z kolektorů a v druhé je zase nižší, pak se teplo ukládá do chladnější nádrže i když teplota v nádrži nedosáhla požadovanou teplotu.

Obr. 4.11 Blokové schéma zapojení modulu solárního systému s plochými kolektory v simulačním modelu

4.2.1.2

Popis modulu solárního systému, tvořeného transparentními koncentračními kolektory střešními (a fasádními)

V modulu jsou tři kolektorová pole střešních koncentračních kolektorů. Jedno pole má plochu 15m2. V reálné stavbě jsou osazeny i tři pole fasádních koncentračních kolektorů s celkovou plochou 27m2, ale nebyly schopné ohřát vodu na takovou teplotu, aby cirkulační čerpadlo sepnulo, takže v matematickém modelu nejsou zahrnuty. Také fototermální absorbéry nacházející se na kultivačních jednotkách nejsou součástí modelu, protože v období kultivací řas nebyly využívány. Průtok čerpadla zabezpečujícího cirkulaci teplonosné látky 47

v systému je 450 l/hod. Rozdělovači je do každého kolektorového pole přiváděno stejné množství teplonosné látky (150l/hod.). Absorbéry a veškerá technologie je umístněná v interiéru haly, proto teplonosnou látkou je v tomto okruhu voda. Voda ohřátá v kolektorových polích se ve směšovači slučuje do jednoho potrubí, kterým proudí do akumulační nádrže číslo 3. Akumulační nádrž AKU3 neobsahuje výměník, protože teplonosnou látkou koncentračních kolektorů je voda. Teplá voda z kolektorů je přiváděna do vrchní části nádrže, chladnější se odebírá ze spodní části nádrže.

Obr. 4.12 Blokové schéma zapojení modulu solárního systému s koncentračními kolektory v simulačním modelu

4.2.1.3 Popis modulu biokultivátorů V hale se nacházejí čtyři kultivační jednotky, dvě střešní a dvě fasádní. Objem řasové suspenze je u fasádního kultivátoru 70 l a u střešního 100 l. Řasová suspenze je ohřívána zkoncentrovaným slunečním zářením. Růstem řas dochází k zahušťování řasové suspenze, což má za následek větší pohltivost slunečního záření a to způsobuje větší ohřev řasové suspenze. Řasové suspenze je nutné udržovat v požadovaných teplotních rozmezích a proto je nutné v průběhu kultivace suspenzi chladit nebo i dohřívat v protiproudových výměnících. K tomuto účelu je využívána voda z akumulačních nádrží. Chlazení řasové suspenze je zabezpečováno vodou z AKU1 a ohřev řasové suspenze je zabezpečován vodou z AKU4. Voda, použitá na ohřev řasové suspenze je čerpána do spodní části AKU3 a z AKU3 do 48

AKU4 je stejné množství vody přečerpáno z vrchní části. Tímto způsobem je zabezpečené využití tepla z obou akumulačních nádrží. K zabezpečení požadovaných teplot řasové suspenze v matematickém modelu teplou resp. studenou vodou z AKU1 a AKU4 slouží regulační prvky, které regulují spínání čerpadel na základě stanovených podmínek.

Obr. 4.13 Blokové schéma zapojení modulu biokultivátorů v simulačním modelu

4.2.1.4 Popis modulu akumulace tepla V AKU1 je teplota vody udržovaná na 14°C. V případě, kdy teplota vody je vyšší než 14°C je sepnuto TČ, které ochlazuje vodu v nádrži a získané teplo odvádí buď do AKU4 případně AKU3, nebo vzduchotechnickou jednotkou SAHARA do exteriéru. Pokud je teplota vody na výstupu z TČ vyšší než teplota v nádržích, je voda čerpána do nádrží. Výkon TČ je 3kW. O tom, zda ohřátá voda z TČ bude čerpána do nádrže AKU3 nebo AKU4 je rozhodnuto na základě teploty na výstupu TČ a teplot v nádržích. Mezi nádržemi má prioritu chladnější nádrž. Pokud je rozdíl teplot mezi nádržemi AKU3 a AKU4 vyšší než 10°C celý průtok je směrován do studenější nádrže, pokud je rozdíl teplot menší, průtok se reguluje lineární interpolací. Pokud je teplota na výstupu z TČ nižší než teplota v akumulačních nádržích voda je ochlazována v teplovzdušné jednotce SAHARA. Na chlazení řasové

49

suspenze je počítáno také s akumulační nádrží AKU2, která je nahoře i dole propojena s nádrží AKU1 a cirkulačním čerpadlem je tak možné zdvojnásobit objem studené vody.

Obr. 4.14 Blokové schéma zapojení modulu akumulace tepla v simulačním modelu

4.2.1.5 Popis modulu budovy Modul objektu je sestaven z 35 teplotních zón tj. každá místnost, nacházející se v objektu je popsána i v modulu. Zóny mají nadefinovanou požadovanou teplotu a infiltraci vzduchu. Čisté prostory mají speciální režim větrání a klimatizace. Pro udržení požadovaných hygienických parametrů se používají klimatizační jednotky. Skladby všech stavebních konstrukcí jsou definovány podle projektové dokumentace. Pro výpočet energetických zisků jednotlivých teplotních zón objektu z dopadajícího slunečního záření jsou zadány azimuty Obr. 4.15 3D model Biotechnologické haly a sklony všech exteriérových ploch s barevným rozlišením jednotlivých teplotních zón objektu. Hala je prosklenou fasádou orientována 45° jihozápadně. Objekt je situovaný na 48° severní šířky. Do modulu budovy je kromě vstupů, definujících množství dopadajícího slunečního záření na jednotlivé exteriérové plochy v závislosti na jejich orientaci integrovaný i vstup pro snížení energetického zisku teplotní zóny 201. Teplotní zóna 201 je hlavním otevřeným prostorem v hale, ve které jsou umístněny všechny kultivační technologie a koncentrační kolektory. Tepelné ztráty akumulačních nádrží jsou v modelu brány jako tepelné zisky objektu. Výstupy z modelu počítají teploty a množství spotřebovaného tepla na krytí tepelných ztrát jednotlivých zón objektu v závislosti na klimatických podmínkách, které se načítají z externího souboru dat. Výstupní teplota zóny 201 je vstupní hodnotou teploty prostředí pro koncentrační kolektory, protože absorbéry jsou umístněné v interiéru této zóny. 50

4.2.2 Simulace energetických bilancí při projektování objektu První výsledky matematických simulací biotechnologické haly byly zaměřeny na zjištění energetických bilancí a teplotních poměrů v hale. V matematickém modelu se meteorologická data brala z databáze Test Reference Year (TRY) pro Prahu. Detailně sestavený matematický model objektu nám poskytl informace o maximálních tepelných ztrátách jednotlivých místností (zón) i celého objektu. V Tabulce 4.2 jsou zobrazeny tepelné ztráty zón při nejnižší exteriérové teplotě v průběhu TRY. Nejzajímavější hodnotou v tabulce je tepelná ztráta teplotní zóny 201, která představuje prosklené prostory biotechnologické haly. Je to prostor, který i v následujících výpočtech energetických bilancí sehrává důležitou roli, protože se v něm nachází koncentrační biokultivátory.

LABORATORNÍ BUDOVA

HALA

Tabulka 4.2 Zobrazení maximálních vypočtených tepelných ztrát jednotlivých místností objektu Biotechnologického centra Teplotní Plocha Objem Vytápění Chlazení Maximální zóny [m2] [m3] [°C] [°C] ztráta [W] 103 1.89 5.00 x x 0 104 10.46 27.70 20 x 414 104A 9.20 24.38 x x 0 105 17.91 47.46 20 x 463 106 12.22 32.38 20 26 208 106A 4.79 12.69 x x 0 107 22.35 60.82 20 26 449 107A 2.20 5.83 20 x 49 107B 2.61 6.92 20 x 54 108 5.47 14.49 20 x 103 109 34.52 91.48 20 x 786 210 51.34 213.94 20 x 2967 201 140.15 866.94 20 x 13050 202 60.46 108.10 20 x 1188 211 5.53 18.26 x x 0 SUMA HALA 381.10 1536.39 x x 19730 111 64.74 194.22 20 x 1539 112 57.12 171.36 20 x 1216 113 49.82 149.46 20 x 972 114 29.92 89.76 20 x 581 115 67.89 203.67 20 x 1474 116 15.80 47.40 20 x 547 117 50.47 151.41 20 x 599 118 8.30 24.90 20 x 244 Šatna1 27.73 72.00 20 x 263 WC1 20.33 84.54 20 x 1043 Šatna12 13.55 40.65 20 x 178 204 56.97 175.34 20 x 1043 205 72.45 264.48 20 x 1271 206 75.33 242.39 20 x 1389 207 36.90 102.06 20 x 650 219 26.78 77.91 20 x 506 221 46.95 240.61 20 x 824 WC2 410.2 136.47 20 x 816 215 11.93 17.44 x x 0 203 41.12 107.41 20 x 743 SUMA LABORATOŘE 784.32 2593.48 x x 15896 SUMA CELEK 1165.42 4129.87 x x 35626

51

Q [MWh] ]

10 Detailní matematický model biotechnologické haly a zjednodušený 5 model solárních systémů sestavený 0 pro první simulace poskytl také in-5 formace o předpokládaných měsíčních energetických potřebách ob-10 jektu a možných měsíčních energe-15 tických ziscích ze solárních systémů (Graf 4.1). -20 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Zajímavým výsledkem první si0,7 1,2 1,8 2,2 3,6 3,7 6,2 5,0 2,1 1,6 0,7 0,5 Qzisk -6,0 -2,1 -0,9 -0,2 -0,6 -3,1 -6,7 -12,1 -16,7 Qztrata -15,6 -15,4 -9,4 mulace je výpočet předpokládaného -3,8 1,5 2,7 6,0 4,4 -0,9 -5,1 -11,4 -16,2 Rozdíl -14,9 -14,2 -7,6 průběhu teplot v jednotlivých místMĚSÍC nostech. Nejvíce exponovanou místQzisk Qztrata Rozdíl ností z hlediska slunečního záření je místnost 201, tedy otevřený prostor Graf 4.1 Vypočtené měsíční bilance tepelných potřeb a možných energetických zisků ze slunečních biotechnologické haly. Na Grafu 4.2 objektu kolektorů je zobrazeno porovnání vypočtené teploty vzduchu v tomto prostoru pro dvě alternativy, kdy by hala byla zasklená čirým izolačním sklem a kdy je zasklená izolačním sklem s lineárními Fresnelovými čočkami. Z Grafu 4.2 je vidět, že díky koncentračním kolektorům, které koncentrují přímou složku slunečního záření do ohniska, ve kterém ohřívají vodu cirkulující v absorbérech, je teplota vzduchu v interiéru až o 8°C nižší oproti stavu, kdy by se teplo prošlé prosklením neodvádělo do akumulačních nádrží a tak by přispívalo k ohřívání vnitřních prostor.

44

t_hala_rastry

t_exteriér

∆t = 8 °C

t_hala_sklo

40 36

t [°C]

32 28 24 20 16 12 0:00

12:00 13.VIII

0:00

12:00 14.VIII

0:00

12:00

0:00

15.VIII

Graf 4.2 Porovnání průběhu teploty vzduchu v prostorách haly pro případ zasklení čirým izolačním sklem a pro případ použití koncentračních kolektorů s lineárními Fresnelovými čočkami

Výstupy těchto simulací byly použity v procesu projektové přípravy Biotechnologické haly, protože sloužily jako podklad k dimenzování vytápění objektu a podávaly první informaci o energetické náročnosti provozu haly. Z výsledků simulací bylo také vidět pozitivní vliv aktivních rastrů na vnitřní klima v letním teplotně exponovaném období.

52

4.2.3 Simulace energetických bilancí jednotlivých technologií a jejich porovnání s naměřenými hodnotami

90

3200

80

2800

70

2400

60

2000

50

1600

40

1200

30

800

20

400

10 1-VIII.

1-VIII.

2-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

3-VIII.

0 4-VIII.

DATUM t_kolektory_TRNSYS t_exteriér m_kolektory_TRNSYS

t_kolektory_HALA Radiace_HALA m_kolektory_HALA

Graf 4.3 Porovnání naměřených a vypočtených teplot na výstupu z plochých kolektorů

53

I [W/m2] - m[kg/h]

t [°C]

Při návrhu a optimalizacích technologických zařízení je vhodné využívat simulační nástroje, které šetří čas i peníze potřebné k vývojovým pracím. Mojí snahou bylo sestavit ucelený matematický model haly a výsledky ze simulací porovnat se skutečně naměřenými hodnotami, abych zjistil, zda v programovém prostředí TRNSYS je možné tyto energetické systémy sestavit a predikovat jejich chování v předem stanovených provozních podmínkách. Důležité bylo zjistit, zda výsledky simulací i při relativně velkém množství vzájemně se ovlivňujících dějů budou s dostatečnou přesností vypovídat o chování jednotlivých pozorovaných systémů. Výsledky matematické simulace jsou zhodnoceny na následujících grafech, které porovnávají vypočtené hodnoty teplot a energetických zisků v okruhu plochých kolektorů, koncentračních kolektorů a biokultivátorů. Všechny tyto okruhy spojují akumulační nádoby do jednoho velkého provázaného celku. Na Grafu 4.3 a Grafu 4.4 jsou porovnány naměřené a vypočtené hodnoty teplot na výstupu z plochých resp. koncentračních kolektorů. Tyto teploty se měří v místech těsně před vstupem ohřáté vody do akumulačních nádrží, kde jsou potrubí z jednotlivých kolektorových polí sloučeny do jedné trubky. Míra shody vyjádřená korelačním koeficientem „r“, vyjadřujícím lineární závislost dvou množin dat je u plochých kolektorů r = 0.99 a u koncentračních kolektorů r = 0.98.

3200

80

2800

70

2400

60

2000

50

1600

40

1200

30

800

20

400

10 1-VIII.

1-VIII.

2-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

3-VIII.

Q [W/m2] - m[kg/h]

t [°C]

90

0 4-VIII.

DATUM t_SG_TRNSYS t_exteriér m_SG_TRNSYS

t_SG_HALA Radiace_HALA m_SG_HALA

Graf 4.4 Porovnání naměřených a vypočtených teplot na výstupu z koncentračních kolektorů

Na Grafu 4.5, Grafu 4.6, Grafu 4.7 a Grafu 4.8 jsou porovnány naměřené a vypočtené teploty vody v akumulačních nádržích AKU5, AKU4, AKU3 a AKU1. Akumulační nádrž AKU5 má objem 700 l a slouží výhradně k ohřevu TUV pro využití v hale. Je to jediná nádrž, ve které je regulací hlídána nejnižší požadovaná teplota vody ve vrchní části nádrže (50°C). Teplota vody je udržována plynovým kotlem. Ohřev vody je vypínán při teplotě 55°C. Regulace teploty vody v nastaveném požadovaném teplotním rozmezí ve vrchní části nádrže je znázorněna na Grafu 4.5. Také shoda naměřených a vypočtených teplot je z Grafu 4.5 patrná. Korelační koeficient pro vrchní část nádrže je r = 0.86 a pro spodní část nádrže je r = 0.98. Akumulační nádrž AKU4 je již nádrží využívanou k ohřevu řasových kultur. Porovnání naměřených a vypočtených teplot vody ve spodní a vrchní části nádrže je znázorněn na Grafu 4.6. Korelační koeficient pro vrchní část nádrže je r = 0.94 a pro spodní část nádrže je r = 0.83. Na Grafu 4.5 a Grafu 4.6 je kromě průběhu teploty vody v nádrži zobrazený také průběh chodu oběhového čerpadla mezi nádrží a solárním systémem s plochými kolektory. Obě tyto nádrže jsou ohřívány plochými kolektory. Z grafů je vidět jak v průběhu dne regulace určovala, do které nádrže se má v daném okamžiku ukládat získané teplo. Vždy byla nahřívána jenom jedna nádrž. Průběh a porovnání teploty vody v akumulační nádrži AKU3 je znázorněn na Grafu 4.7. Tato nádrž je ohřívána koncentračními kolektory a také se do ní vrací ochlazena voda z AKU4 použitá v kultivačním procesu k ohřevu řasové suspenze. Korelační koeficient pro vrchní část nádrže je r = 0.96 a pro spodní část nádrže je r = 0.32. I když korelační koeficient pro teplotu vody ve spodní části nádrže je nízký, je z grafu patrné, že průběh naměřené a vypočtené teploty je podobný, pouze vypočtená teplota je o 2°C až 3 °C nižší. Na tomto grafu je také znázorněn průběh průtoku vody ohřívané koncentračními kolektory a také průtok vody, vracející se z výměníku tepla v kultivátorech. Na grafu jsou dvě maxima, která nastala v ranních hodinách. Jsou způsobena přechodem kultivačního procesu z nočního na denní režim. V nočním režimu byla teplota suspenzí udržována na 25 °C a v denním režimu na teplotě 35°C. Proto je ráno potřebné řasovou suspenzi ohřát o 10°C a k ohřevu je využitá voda 54

z AKU4, která se pak vrací do AKU3. Podobné maxima je možné sledovat i na následujícím Grafu 4.8, ale ve večerních hodinách. Na Grafu 4.8 je zobrazen průběh naměřených a vypočtených teplot vody v akumulační nádrži AKU1 a průběh průtoku vody odebírané na chlazení řasové suspenze. V tomto čase bylo po denním režimu potřebné ochladit řasovou suspenzi na 25°C, která se měla udržovat v průběhu noci. Korelační koeficient pro vrchní část nádrže je r = 0.90 a pro spodní část nádrže je r = 0.75. V Tabulce 4.3 jsou sumarizovány korelační koeficienty pro měřené a vypočtené teploty vody ve vrchních a spodních částech jednotlivých akumulačních nádrží. Tabulka 4.3 Korelační koeficienty pro teploty v jednotlivých nádržích

KORELAČNÍ KOEFICIENT Horní teplota 0.84 0.94 0.96 0.90

AKU5 AKU4 AKU3 AKU1

Dolní teplota 0.98 0.83 0.32 0.75

70

2500

65 60

2000

t [°C]

50

1500

45 40

1000

35 30

500

25 20 1-VIII.

1-VIII.

2-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

3-VIII.

DATUM t_hore_TRNSYS t_dole_TRNSYS m_AKU5_TRNSYS

t_hore_HALA t_dole_HALA

Graf 4.5 Porovnání naměřené a vypočtené teploty vody v akumulační nádobě AKU5

55

0 4-VIII.

m [kg/h]

55

2100

65

1800

60

1500

55

1200

50

900

45

600

40

300

35 1-VIII.

1-VIII.

2-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

3-VIII.

m [kg/h]

t [°C]

70

0 4-VIII.

DATUM t_hore_TRNSYS t_dole_TRNSYS m_AKU4_TRNSYS

t_hore_HALA t_dole_HALA

60

1800

55

1500

50

1200

45

900

40

600

35

300

30 1-VIII.

1-VIII.

2-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

3-VIII.

0 4-VIII.

DATUM t_hore_TRNSYS t_dole_TRNSYS m_z_kultivátorů

t_hore_HALA t_dole_HALA m_SG_TRNSYS

Graf 4.7 Porovnání naměřené a vypočtené teploty vody v akumulační nádobě AKU3

56

m [kg/h]

t [°C]

Graf 4.6 Porovnání naměřené a vypočtené teploty vody v akumulační nádobě AKU4

3600

20

3200

18

2800

16

2400

14

2000

12

1600

10

1200

8

800

6

400

4 1-VIII.

1-VIII.

2-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

m [kg/h]

t [°C]

22

0 4-VIII.

3-VIII.

DATUM

t_-hore_TRNSYS

t_hore_HALA

t_dole_HALA

m_z_kultivátorů

t_dole_TRNSYS

Graf 4.8 Porovnání naměřené a vypočtené teploty vody v akumulační nádobě AKU1

Na Grafu 4.9 resp. Grafu 4.10 jsou zobrazeny průběhy měřených teplot řasové suspenze cirkulující ve fasádním R3 resp. střešním R4 biokultivátoru a porovnávány s vypočtenými teplotami pomocí simulace. I na těchto grafech je vidět obdobný průběh měřených a vypočtených teplot. Korelační koeficient porovnávající teplotu řasové suspenze na vstupu resp. výstupu z biokultivátoru R3 je r = 0.97 resp. r = 0.93. Stejných hodnot dosahují korelační koeficienty i u biokultivátoru R4. V sledovaném úseku probíhaly experimenty na střešních kultivátorech a na jednom fasádním kultivátoru. V Tabulce 4.4 jsou zobrazeny teplotní a světelný podmínky, za kterých se v jednotlivých kultivátorech pěstovala řasová kultura. V Tabulce 4.4 jsou také zobrazeny denní obsahy sušiny řasové suspenze v jednotlivých kultivátorech.

Haematococcus

Spirulina

Tabulka 4.4 Charakteristika druhu a podmínek kultivace řas pro dané období Umístnění v t [°C] řasa Sušina [g/l] ohnisku Den/Noc DATUM R4 a R4 a R3 R4 R3 R2 R3 R4 a R2 R2 R2 1.8.05 1.50 0.90 0.80 ano ano 35/25 2.8.05 1.20 0.70 0.83 ano ano 35/25 3.8.05 1.66 0.80 1.00 ne ano 35/25 4.8.05 2.00 0.80 1.20 ano ano 35/25

57

R3 28 28 28 28

40 38 36

t [°C]

34 32 30 28 26 24

1-VIII.

1-VIII.

2-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

3-VIII.

4-VIII.

DATUM t_z_trubek_TRNSYS

t_z_trubek_REAL

t_do_trubek_TRNSYS

t_do_trubek_REAL

Graf 4.9 Porovnání naměřené a vypočtené teploty řasové suspenze ve fasádním biokultivátoru R3 40 38 36

t [°C]

34 32 30 28 26 24 22

1-VIII.

1-VIII.

2-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

3-VIII.

4-VIII.

DATUM t_z_trubek_TRNSYS

t_z_trubek_REAL

t_do_trubek_TRNSYS

t_do_trubek_REAL

Graf 4.10 Porovnání naměřené a vypočtené teploty řasové suspenze ve střešním biokultivátoru R4

V Tabulce 4.5, Grafu 4.11 a Grafu 4.12, které byly získány z této simulace, se vzájemně porovnávají naměřené a vypočtené energetické zisky z jednotlivých typů kolektorů a také množství využitého tepla z akumulační nádrže AKU4 na ohřev řasové suspenze. Největší rozdíl mezi naměřenou a vypočtenou hodnotou je při porovnání energetických zisků z plochých kolektorů druhý den tj. 2. 8. 05. Do AKU4 je akumulováno o 29% více energie a do AKU5 o 22% energie méně. Celková suma dodané energie plochými kolektory do obou nádrží však představuje akceptovatelný 9% rozdíl mezi naměřenou a vypočtenou hodnotou. Z Grafu 4.13 je zřejmý průběh naměřené a vypočtené interiérové teploty v prostorách biotechnologické haly. Jde o porovnání průměrné teploty vzduchu z celého otevřeného 58

prostoru haly s vypočtenou teplotou pro tuto teplotní zónu. Průměrná teplota byla porovnávána z toho důvodu, že program dokáže vypočítat jen jednu teplotu pro jednu teplotní zónu. Je to dané tím, že program nerozeznává tvarovou geometrii prostoru a neví, jestli je zóna vysoká nebo úzká nebo široká. Pracuje jenom s velkostí ploch jednotlivých stěn, jejich orientací vůči světovým stranám, s jejich umístněním ve stavbě (vnitřní nebo venkovní stěny) a jestli je v nich umístněné okno nebo jiný stavební otvor. Pro detailnější výpočty teplotních profilů vzduchu v objektech je určen v úvodu vzpomenutý program Fluent nebo ESP-r. I přes tyto nedostatky je ale možné programem stanovit jaká teplota v prostoru teplotní zóny bude. Teplota v prostorách haly v letním období je ovlivňována několika faktory. Je závislá hlavně na energetických ziscích způsobených dopadající sluneční radiací a technologickými zařízeními, která jsou v hale instalována. Na teplotu v interiéru má dále vliv regulace větrání a cirkulace vzduchu, která zabezpečuje odvětrávání přehřátého vzduchu z interiéru a promíchávání teplejšího vzduchu nacházejícího se v horních částech haly s chladnějším nacházejícím se v spodních částech haly. Korelační koeficient mezi naměřenou a vypočtenou interiérovou teplotou je r = 0.83.

Q [kWh]

Tabulka 4.5 Porovnání naměřených a vypočtených energetických zisků z jednotlivých systémů DATUM 1-VIII. 2-VIII. 3-VIII. Střecha 736 648 257 107m2 Sluneční radiace Fasáda 262 297 67 69m2 26 0 43 REAL -8% 29% x AKU4 40 33 0 TRNSYS Ploché -11% 9% kolektory 16 16 0 REAL -21% -22% x AKU5 12 12 0 TRNSYS 31 25 0 REAL Koncentrační x 14% -6% kolektory 36 24 0 TRNSYS 49 51 68 REAL Biokultivátory 4% -9% -11% AKU4 51 46 61 TRNSYS 80 70 60

Q [kWh]

50 40 68 61

30 49

20 31

51

51

46

36 25

10

24 0

0

0 1-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

DATUM

SG_REAL

SG_TRNSYS

Reaktor_REAL

Reaktor_TRNSYS

Graf 4.11 Porovnání naměřených a vypočtených energetických zisků z koncentračních kolektorů a biokultivátorů

59

50 45 40 35 Q [kWh]

30 25 43

20

40 33

15 26

10 16

5

16 12

12 0

0

0

0

0 1-VIII.

2-VIII.

3-VIII.

DATUM

AKU4_REAL

AKU4_TRNSYS

AKU5_REAL

AKU5_TRNSYS

Graf 4.12 Porovnání naměřených a vypočtených energetických zisků z plochých kolektorů

30 28 26

t [°C]

24 22 20 18 16 14 12 21-VIII.

21-VIII.

22-VIII.

22-VIII.

23-VIII.

23-VIII.

24-VIII.

DATUM t_HALA

t_TRNSYS

t_exteriér

Graf 4.13 Porovnání naměřené a vypočtené vnitřní teploty vzduchu v hale

4.2.4 Zhodnocení výsledků simulací Ze vzájemného porovnání měřených a vypočtených energetických toků probíhajících v biokultivátorech, solárních systémech a také v samotném objektu biotechnologické haly je patrná velká korelační shoda. Až při porovnání energetických bilancí jednotlivých systémů se projevují větší rozdíly mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami. Rozdíly však nepřesahují 14% hranici. Přitom v systému probíhaly intenzívní energetické výměny mezi jednotlivými technologiemi což je patrné i z následující kvantitativní bilance: 60

V rámci sledovaného časového úseku (1. 8. 05 – 3. 8. 05) proteklo cca − 8m3 vody mezi plochými kolektory a akumulačními nádobami AKU4 a AKU5, − 4m3 vody mezi koncentračními kolektory a akumulační nádobou AKU3, − 30m3 vody mezi kultivátory a AKU4 resp. AKU1, − 60m3 vody mezi AKU1 a tepelným čerpadlem resp. chladící jednotkou SAHARA. Na střechu a fasádu haly dopadlo cca 2300 kWh energie v podobě slunečního záření a jednotlivými technologiemi celkově proteklo cca 500 kWh energie. Kromě shody mezi měřenými a vypočtenými hodnotami v sledovaných energetických systémech se shoduje také výpočet teploty interiéru v biotechnologické hale s naměřenými hodnotami. Při projektování biotechnologických systémů pracujících na principech solárních kolektorů je možné využívat programové prostředí TRNSYS. Výhodou využití tohoto nástroje jsou výstupy z matematické simulace, díky kterým je možná optimalizace navrženého systémového řešení technologie.

61

5 Dosažené výsledky v experimentálním skleníku Návrh experimentálního skleníku byl řešen s ohledem na dosažení optimálního využívání dopadající sluneční radiace na plochu skleníku. Tohoto využití mělo být dosaženo kombinací tvarového, konstrukčního a technologického řešení objektu. Při projekční činnosti byl za tímto účelem využíván simulační program TRNSYS, kterým bylo možné ověřit energetické bilance jednotlivých návrhů. Experimentální činnost po realizaci skleníku byla zaměřena na sledování, zaznamenávání a vyhodnocování energetických parametrů jednotlivých technologických části nacházejících se ve skleníku (solární systémy, vzduchotechnické vytápění, tepelné čerpadlo apod.). Tyto výsledky byly následně využity ke zpřesnění matematického modelu objektu. Současně se hodnotilo i celkové tvarové, konstrukční a technické řešení skleníku, které mělo minimalizovat externí zdroje energie potřebné na jeho provoz. Zhodnotil se celoroční provoz skleníku a porovnal se s výsledky získanými simulací.

5.1 Měření energetických parametrů v experimentálním skleníku V této kapitole je podrobně popsáno konstrukční řešení skleníku, solární systémy s koncentračními translucentními kolektory a plochými kolektory určenými na přípravu teplé vody využívané pro vytápění skleníku. Jsou zde popsány měřící experimenty probíhající ve skleníku, které byly prováděny za účelem exaktního stanovení účinnostních charakteristik solárních systémů s různými typy kolektorů a zhodnocení energetické náročnosti celoročního provozu objektu. Tato měření byla také využívána při matematických simulacích experimentálního skleníku, které je věnována kapitola 5.2. Z důvodu provázanosti výstupů z vyhodnocení energetické bilance skleníku v přechodovém období a z vyhodnocení celoroční energetické bilance skleníku s výstupy z matematické simulace, jsou tyto výsledky uváděny ne v této kapitole měření (5.1), ale až v kapitole věnované výstupům ze simulací (5.2).

5.1.1 Stavebně – technické řešení skleníku Modulární skleník je složen ze šesti čtyřmetrových modulů. Od východu, kde je z hlediska celkové dispozice pozemku a přilehlých komunikací umístěn vchod, jsou dislokovány tři pěstební moduly. První modul je osazen dvojskly s odraznými pasivními rastry, druhý je energetický s koncentračními kolektory s lineárními Fresnelovými čočkami ze skla a fototermálními absorbéry a třetí je hybridní s vodou chlazenými fotovoltaickými absorbéry z monokrystalického křemíku. Čtvrtý Obr. 5.1 3D model skleníku čtyřmetrový modul je koncipován jako energetický s plochými vakuovými kolektory Thermo/solar TS400. Tento modul není řešen jako pěstební, ale slouží k umístění veškeré technologie. Poslední dva moduly jsou 62

projektovány jako věžové, kdy první z nich je osazen fasádními kolektory SOLARGLAS SF1, pracujícími jako světelné a tepelné žaluzie, a druhý je zasklen pasivními odraznými rastry. Energetické moduly s průsvitnými koncentračními kolektory, využívajícími lineární rastrové čočky ze skla a pohyblivé fototermální absorbéry jako světelné a tepelné žaluzie Základ navrhované konstrukce transparentního obvodového pláště je tvořen kolektorovým systémem SOLARGLAS SG1 ve střešním provedení nebo SF1, ve fasádním provedení, kde součástí obvodového pláště jsou lineární Fresnelovy čočky vyrobené ze skla. Obr. 5.2 Střešní moduly s pasivními i aktivními rastry Hybridní fotovoltaický modul na bázi koncentračního kolektoru pro autonomní zásobování skleníku elektrickou energií Fotovoltaický modul je konstrukčně téměř shodný se základním modulem energetickým, liší se pouze použitými absorbéry slunečního záření. Již při plánování projektu byla dohodnuta spolupráce firmy ENKI, o.p.s. s dalšími českými výrobci – společností SOLARTEC, s.r.o. na vývoji hybridních absorbérů pro kolektorové systémy SOLARGLAS, které umožňují kromě ohřevu vody také výrobu elektrické energie ve fotovoltaických (PV) článcích.

Kultivační moduly s pasivními optickými rastry, bránícími přehřívání skleníku v letním období Rozdíl oproti předcházejícímu modulu je v zasklení. Pro tento modul bylo zvoleno zasklení pasivními rastry, vyráběnými technologií kontinuálního lití. Účelem je s minimálními náklady zajistit kvalitní světelný a tepelný režim v průběhu celého roku. Dochází k menšímu tepelnému zatížení interiéru. Skleník je částečně ochráněn před přehřátím bez dalších doplňujících technologií např. žaluzií nebo jiných vnitřních i vnějších stínicích prvků, případně nátěrů, jak je běžné u standardních skleníků. Opět je použito dvou variant: střešní a fasádní. Energetický modul s plochými vakuovými kolektory. Modul vychází z rozměrů standardního střešního modulu, kde na jižní střeše jsou instalovány ploché vakuové kolektory Heliostar TS400. Hlavní funkcí modulu v rámci skleníkového systému je ohřev nebo dohřev vody či jiné teplonosné látky na vyšší teplotu (až do 90°C), která již byla v ostatních modulech předehřátá. Protože modul není průhledný, byla v něm umístněna veškerá technologie: tři akumulační nádoby, vzduchotechnickou jednotku (VZT), čerpadla, expanzní nádoby, armatůry, systém měření a regulace (MaR) a ostatní přístroje a zařízení, zabezpečující automatický chod a monitoring skleníku. 63

Obr. 5.3 Střešní modul skleníku s plochým i vakuovými kolektory

5.1.1.1 Návrh barevného řešení vnitřních akumulačních stěn Pro optimální absorpci dopadající sluneční radiace na plochy akumulačních stěn a podlah je důležité, aby barvy byly co nejtmavší, a tím pohlcovaly co největší množství energie. Pro co nejvyšší využití sluneční radiace rostlinami k fotosyntéze, která projde do interiéru skleníku, je důležité, aby akumulační stěny nepohlcovaly sluneční radiaci ve spektrálních oblastech, které jsou využívány při fotosyntéze rostlin. Rostliny pohlcují sluneční radiaci ve dvou vlnových délkách. Fotosystém I pohlcuje světelné záření ve vlnové délce 470 nm a fotosystém II pohlcuje světelné záření ve vlnové délce 650 nm. Na základě těchto skutečností bylo nutné najít barvy, které by splňovaly oba požadavky – tmavá barva pro co nejvyšší absorpci a barva, která nepohlcuje světelné záření v oblasti 470 nm resp. 650 nm. Světelnému záření v oblasti 470 nm odpovídá modrá barva a oblasti 650 nm odpovídá červená barva. Pro různé odstíny modré viz. Graf 5.1 a červené viz. Graf 5.2 byla změřena spektrální odrazivost. Na základě tohoto měření se vybraly pro natření skleníku dvě odstíny červené a jeden odstín modré. Červené odstíny odpovídaly v RAL stupnici číslu 2005 resp. 2012. Modrý odstín odpovídal v stupnici RAL číslu 5015. Celkové barevné provedení akumulačních stěn skleníku je znázorněno na Obr. 5.4. Z důvodu sledování schopnosti pohlcovat dopadající sluneční záření na stěny s odlišnou barvou, byla také část stěny natřená bílou barvou (RAL 1000), která plnila referenční funkci. 14000

470 nm

BÍLÁ

RAL 5014

RAL 5015

RAL 5017

RAL 5019

RAL 5018

RAL 5005

RAL 5012

12000

10000

650 nm

8000

6000

4000

2000

0 350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

vlnová délka [nm]

Graf 5.1 Spektrální odrazivost slunečního záření od různých odstínů modré barvy

64

950

14000

650 nm

BÍLÁ

RAL 2011

RAL 2012

RAL 3000

RAL 3001

RAL 3002

12000

10000

470 nm

8000

6000

4000

2000

0 350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

vlnová délka [nm]

Graf 5.2 Spektrální odrazivost slunečního záření od různých odstínů červené barvy

Obr. 5.4 Návrh vybarvení stěn v interiéru skleníku

Výsledky z měření teplot na povrchu a v různých hloubkách akumulačních zdí je popsán v knize Jirka a kol. 2009 v kapitole XIII. Ukázka rozdílné povrchové teploty stěny závislá na barvě znázorňuje termovizní snímek Obr. 5.5. Snímek byl pořízen v zimním období, kdy teplota skleníku se pohybovala na úrovni 14 – 18 °C. Rozdíl mezi nejnižší teplotou stěny (bílá barva) a nejvyšší povrchovou teplotou (modrá barva) je 7 °C. Z této ukázky je vidět, že pro správnou funkci pasivního využívání sluneční energie je nezbytné nejen mít hmotné akumulační zdi, ale je důležité, aby měly tmavou barvu schopnou co nejvíce pohlcovat dopadající sluneční záření.

65

20.6 °C 20

Li1

13.5

Obr. 5.5 IR snímek a graf zobrazující povrchovou teplotu akumulační stěny natřené různou barvou

5.1.2 Měření, regulace a archivace dat v experimentálním skleníku v Třeboni Pro sestavení matematických modelů je nezbytné kromě použitých systémů a prvků znát i jejich všechny logické vazby jak mezi nimi, tak i napříč systémy. Vazby určuje a popisuje systém měření regulace a archivace dat. Systém umožňuje pružně reagovat na potřeby měření a regulace, vyplývající z probíhajících experimentů. Celý systém měření a regulace skleníku byl realizován jako centrální s ovládání aktivních prvků a archivací dat na jednom PC. Řídicí program ovládá ohřev vody v akumulačních nádržích tepelným čerpadlem, plochými vakuovými kolektory, koncentračními kolektory a elektrické vytápěcí patrony. Ovládá vytápění skleníku vzduchotechnickou (VZT) jednotkou na základě vyhodnocení vnitřních teplot v jednotlivých sekcích a na základě jejich trendu za sledovaná období. Program řídí větrání prostorů skleníku a automaticky otevírá a zavírá okna. Řešení na bázi centrálního počítače zajišťuje vzájemnou součinnost jednotlivých regulovaných systémů, umožňuje vytvořit složitější vazby mezi jednotlivými regulacemi a měřeními. V nouzových případech je možno přejít z automatického režimu na ruční provoz z panelu rozvaděče. V průběhu zimní sezóny 2005/2006 byla kompletně dokončena teplovodní část vytápění včetně osazení všech měřících míst teplotními čidly a průtokoměry. Byl průběžně dokončován systém měření a regulace (MaR) a souběžně s tvorbou a odlaďováním softwaru bylo nainstalováno čidlo ozáření na venkovní šikmé střeše – v rovině střešního modulu a další čidla ozáření. Monitorovací systém skleníku ukládá každých 5 minut 171 různých teplot, průtoků, výkonů a ostatních hodnot a logických stavů, což představuje měsíčně v průměru 1 502 064 hodnot ke zpracování.

66

5.1.2.1 MaR teploty v prostorech Skleník je vytápěn energií, která je akumulována v nádržích a vedena do topného registru vzduchotechnické jednotky. Vstupními parametry regulace jsou požadované teploty v jednotlivých prostorech skleníku a teplotní hystereze regulátoru (aktuálně 0,5ºC). Aktuální vstupní teplotou pro regulaci vytápění je teplota vzduchu, měřená v horní části skleníku. Teplota vzduchu ve věžové části skleníku je měřena ve čtyřech bodech, ve střešní části skleníku ve dvou bodech. Pokud je aktuální teplota v prostoru menší než požadovaná teplota – hystereze, je aktivován požadavek na topení. Pokud je aktuální teplota v prostoru skleníku vyšší než požadovaná teplota + hystereze, je aktivován požadavek na chlazení. Požadavek na topení je vstupem pro regulaci vzduchotechnické jednotky. Chlazení skleníku je řešeno větráním automaticky otevíraných střešních oken. Pokud je teplota v dané sekci skleníku vyšší než prahová hodnota plus hystereze, aktivuje se požadavek na otevření oken. Pokud je teplota v dané sekci skleníku nižší než prahová hodnota mínus hystereze, aktivuje se požadavek na zavření oken. Regulace umožňuje nastavit teploty ve skleníku pro noční a denní režim. V obou prostorech je jedno nezávislé čidlo zapojeno do provozního termostatu. Termostat hlídá minimální teplotu v prostorech. Pokud selže počítačová regulace a teplota vzduchu poklesne pod nastavenou minimální teplotu, sepne VZT, která vytopí prostor na minimální teplotu. 5.1.2.2 MaR plochých vakuových kolektorů Dvě pole plochých vakuových kolektorů HELIOSTAR, nainstalovaných na střešním modulu skleníku slouží k ohřevu teplé vody, tplo se akumuluje do nádrže AKU1 a používá se k vytápění skleníku. Primární okruh propojuje tepelný výměník, oběhové čerpadlo a kolektor. Sekundární okruh je propojen tepelným výměníkem, oběhovým čerpadlem a rozvaděčem s elektromagnetickými ventily do nádrží. Vstupními parametry regulace odvodu tepla z kolektorů jsou teplota akumulační nádrže AKU1 (AKU1 Horní), teplota kolektorů (maximum z KOLEKTOR-Horní pole a KOLEKTOR-Dolní pole), teplotní diference sepnutí oběhového čerpadla a hystereze regulátoru. Automatická regulace vyhodnotí teplotní diferenci mezi kolektorem a nádrží. Pokud tato hodnota překročí nastavenou diferenci, jsou spuštěna oběhová čerpadla primárního i sekundárního okruhu. Pokud teplotní diference mezi kolektorem a nádrží poklesne pod hodnotu teplotní hystereze regulátoru, oběhové čerpadlo je vypnuto. V době, kdy je sepnuté čerpadlo, je měřen průtok kapaliny v okruhu a je vyhodnocováno teplo, které je odvedeno z kolektoru do akumulační nádrže. 5.1.2.3 MaR koncentračních kolektorů Vstupními parametry regulace odvodu tepla z koncentračních kolektorů jsou teploty v akumulačních nádržích AKU1, AKU2 a AKU3, teploty horního absorbéru koncentračních kolektorů SF1, SG2 a SG3 (měřená naváděcími jednotkami), teplotní diference sepnutí oběhového čerpadla a hystereze regulátoru. Regulátor vždy volí přednostně ohřev nejchladnější nádrže a teplo do vybrané nádrže je dodáváno ze všech tří kolektorů. Je vyhodnocen teplotní rozdíl mezi absorbérem každého kolektoru a vybranou akumulační nádrží. Pokud tato hodnota překročí nastavenou diferenci sepnutí (aktuálně +5ºC), je sepnuto oběhové čerpadlo a v okruhu daného kolektoru je otevřen elektromagnetický ventil příslušné nádrže. Pokud teplotní rozdíle mezi absorbérem kolektoru a nádrží poklesne pod hodnotu teplotní hystereze regulátoru (aktuálně 2ºC), oběhové čerpadlo je vypnuto. Elektromagnetický ventil je otevřen do té doby, pokud alespoň jeden kolektor je schopen dodávat teplo do cílové akumulační nádrže. Pokud není nastavena cílová nádrž, je vždy ohřívána nejstudenější nádrž

67

až do jejich vzájemného vyrovnání. V době, kdy je sepnuté čerpadlo, je měřen aktuální průtok a je vyhodnocováno teplo, odvedené z kolektoru do akumulační nádrže. 5.1.2.4 MaR tepelného čerpadla Regulace tepelného čerpadla zabezpečuje ohřev vody pro vytápění skleníku z akumulačních zásobníků v zimním období nebo za nepříznivého počasí. Tepelné čerpadlo může také teplo z akumulačních nádrží odčerpávat a ochlazovat nádrže v případě nuceného chlazení prostoru nebo měření energetických zisků slunečních kolektorů. Vstupními parametry automatické regulace jsou požadované teploty v akumulačních nádržích AKU1, AKU2 a AKU3 (15 až 50ºC) a výběr nádrží, které chceme regulovat. Dále je požadováno nastavení provozního režimu tepelného čerpadla. Lze zvolit, zda bude tepelné čerpadlo topit nebo chladit a bude-li pracovat s maximálním výkonem nebo v úsporném režimu (Setpoint ½). Na základě teplotního rozdílu požadované teploty nádrže a aktuální teploty v nádrži (senzory AKU1 Horní, AKU2 Horní a AKU3 Horní) je vyhodnocen požadavek na přípravu vody v každé nádrži. Ten je zpracován prioritním způsobem. Nejvyšší prioritu má příprava vody v AKU1. Tepelné čerpadlo je schopno vytopit nádrže na 50ºC. Jmenovitý topný výkon je 13kW. Při chodu tepelného čerpadla se měří teplo dodané/odebrané do/z akumulačních nádrží. 5.1.2.5 MaR elektrického přitápění akumulačních nádrží Akumulační nádrže AKU1 a AKU2 jsou vytápěny tepelným čerpadlem, plochými kolektory a koncentračními kolektory. Pokud není dostatek naakumulované energie, je možné nádrže ještě elektricky přitápět. Každá nádrž má dvě topné spirály o výkonu 6kW. Topit mohou samostatně nebo současně. Jsou spínány stykači, jejichž ovládání zajišťuje provozní termostat na akumulační nádrži nebo mohou být ovládány centrálně z počítače. Termostaty snímají teplotu v nádržích, a pokud je přitápění zapnuto, regulují teplotu na požadovanou hodnotu. 5.1.2.6 MaR vzduchotechnické jednotky Chod vzduchotechnické jednotky je centrálně řízen požadavky na topení, vyhodnocenými regulací na základě měřených teplot prostorů ve věžové a střešní části skleníku. Výběr nádrže, ze které bude odebíráno teplo na vytápění, je prováděno na základě následně popsaného algoritmu. Je-li aktivní požadavek na topení, sepne se ventilátor, cirkulační čerpadlo a otevře se ventil z nejstudenější nádrže. Během chodu vzduchotechnické jednotky se v pravidelných intervalech (10 minut) vyhodnocuje přírůstek teploty v prostorech. Pokud je nárůst teploty v prostorech dostatečný, pokračuje se ve vytápění z této nádrže. Pokud není, teplo na vytápění skleníku se začne odebírat z druhé nejteplejší nádrže. Pokud přírůstek teploty prostoru při topení z prostřední nádrže není dostatečný, otevře se ventil z nejteplejší nádrže. V okamžiku kdy dojde k vyhřátí prostorů na požadované teploty, je vypnut ventilátor a čerpadlo, uzavřen ventil a čeká se na další aktivaci požadavku topení s tím, že výběr nádrží je prováděn stejným způsobem od nejstudenější nádrže k nejteplejší. Tato regulace zajišťuje přednostní vytápění skleníku ze studenějších nádrží a tím není degradována naakumulovaná energie. Uživatel však může tento proces přerušit vlastním výběrem jedné zdrojové nádrže. Při chodu jednotky je měřeno teplo, odebrané z akumulačních nádrží. 5.1.2.7 Měření dalších veličin ve skleníku Skleník je koncipován jako experimentální objekt a proto je důležité, aby se kromě hodnot, které se používají pro regulaci ve skleníku, měřily další veličiny, sloužící k vyhodnocení energetických toků ve skleníku a solárních systémech. 68

Na severní stěně budovy bylo nainstalováno čidlo venkovní teploty vzduchu. Toto měření se vyhodnocuje v regulaci a umožňuje celoroční monitorování venkovní teploty v okolí skleníku. Měření teplot půdy, teplot vzduchu, relativních vlhkostí vzduchu a totální radiace v prostorech skleníku definují vnitřní podmínky. Pro porovnání reálných a simulovaných energetických parametrů a akumulačních schopností budovy jsou měřeny teploty ve zdivu a v betonové podlaze. Teplotní senzory jsou zapuštěny v různých hloubkách (4, 8 a 12 cm) pod povrchem. Sluneční radiace je také měřená na střeše skleníku.

Měření venkovní radiace

Měření radiace za čirým sklem

Měření radiace za pasivními rastry

Měření radiace dopadlé na akumulační stěnu a měření teploty stěny

Měření teplotního profilu vzduchu ve skleníku

Měření teplot v různých hloubkách podlahy

Měření venkovní teploty

Měření teploty na výstupu z VZT

Měření průtoku do VZT

Měření průtoků z kolektorů do AKU

Měření průtoků mezi AKU a TČ

Rozvodní skříň MaR

Print Sreen programu regulující a monitorující energetický systém skleníku Obr. 5.6 Snímky zobrazující jednotlivá místa měření čidly a řídící panely regulace v PC

69

5.7 Schéma zapojení energetického systému v experimentálním skleníku

5.1.3 Stanovení účinnosti jednotlivých typů kolektorových systémů a stanovení jejich charakteristických křivek účinnosti Díky sytému měření a regulace, který je ve skleníku instalován, jsme mohli realizovat experiment, který měl za cíl stanovit chování a účinnosti jednotlivých typů slunečných kolektorů v průběhu dne v závislosti na různých teplotách teplonosné látky na vstupu do kolektoru, jejího průtoku, dané intenzitě ozáření a okolní teplotě vzduchu. Tento experiment byl důležitý pro stanovení tepelnětechnických vlastností jednotlivých typů kolektorů. Účinnost se stanovila jako podíl sumy získané energie kolektorem k sluneční energii, která dopadla na kolektor. Pro další využití těchto výsledků bylo kromě stanovení účinnosti kolektorů při daných podmínkách nutné sestavit křivku účinnosti kolektorů, která standardně charakterizuje daný kolektor. Křivka účinnosti kolektoru charakterizuje závislost účinnosti kolektoru na redukovaném teplotním spádu. Redukovaný teplotní spád se určuje jako podíl rozdílu střední teploty teplonosné látky ts (rozdíl teploty na vstupu a výstupu z kolektorů) a venkovní teploty tex k intenzitě dopadající sluneční radiace na plochu kolektoru G (Matuška 2009). Je to základní charakteristika kolektoru, která se také využívá v matematickém modelu kolektorů k výpočtům okamžitých zisků jednotlivých kolektorů v průběhu simulace. redukovaný teplotní spád =

ts – tex G

Tento experiment probíhal v týdnu od 14. 7. 2007 do 22. 7. 2007, kdy byla jasná obloha. Účinnost byla měřená tak, aby se použitý postup co nejvíce odpovídal normě ČSN EN 129751:2006, která popisuje postup zjišťování charakteristických křivek kolektorů. Akumulační nádrž AKU3, určená k akumulaci tepla z koncentračních kolektorů, byla nejprve vychlazena na teplotu 20 °C a každý další den postupně ohřívána o 5°C až na 45°C. Tím bylo dosaženo proměření účinnosti jednotlivých solárních soustav s koncentračními kolektory v širokém 70

rozmezí teplot. Teplota byla udržována tepelným čerpadlem, které vodu v akumulační nádobě průběžně ochlazovalo. Obdobným způsobem byla také změřena účinnost plochých vakuových kolektorů, které odevzdávají teplo do nádrži AKU1. Z důvodu, že ploché vakuové kolektory jsou určeny k ohřevu teplé vody na vyšší teploty, účinnost systému jsme sledovali při vyšších vstupních teplotách vody, než u koncentračních kolektorech. Účinnost plochých vakuových kolektorů jsme zjišťovali pro teploty od 35°C až po 65°C. 1000 900 časový úsek, pro který byly brány hodnoty pro vyhodnocení účinností (10:00 - 15:00 hod.)

800 700

I W/m2

600 500 400 300 200 100 0 0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:00

12:00

14:00

16:00

18:00

20:00

22:00

0:00

datum globální

difuzní

celková_35°

přímá_35°

celková_90°

přímá_90°

Graf 5.3 Porovnání intenzity slunečního záření dopadajícího na různě nakloněné plochy skleníku 15.7.2007

5.1.3.1 Střešní a fasádní koncentrační kolektory s Fresnelovými čočkami (SG3, SG2 a SF1) Jednalo se o vůbec první měření účinnosti tohoto typu kolektoru za podmínek, kdy bylo možné kalibrovat měřicí zařízení a dosáhnout tak vypovídajících reprodukovatelných výsledků. Střešní a fasádní koncentrační kolektor SG3 resp. SF1 měly standardní teplovodní absorbéry s matným černým neselektivním povrchem a šířkou absorbérů 6 cm resp. 8 cm. Naproti tomu, střešní kolektor SG2 byl osazen hybridním absorbérem s fotovoltaickými články se šířkou absorbérů 8 cm. Tabulka 5.1 udává průměrné hodnoty parametrů, které ovlivňují účinnost koncentračních kolektorů pro jednotlivé dny v časovém úseku od 10:00hod. do 15:00hod. a Tabulka 5.2 udává účinnost jednotlivých typů koncentračních kolektorů pro různou vstupní teplotu vody. Průběh teplot a vyhodnocení účinnosti kolektorů SG2, SG3 a SF1 ukazují Graf 5.4, Graf 5.5 a Graf 5.6. Vzhledem k atypické konstrukci koncentračních kolektorů, kdy je absorbér umístěn v interiéru, je účinnost vynesena v závislosti na rozdílu střední teploty kolektoru a teploty interiéru neboť venkovní teplota nemá na účinnost tohoto typu kolektoru vliv. Pro každý typ kolektoru jsou vyneseny dvě křivky účinnosti, a to vždy podle toho, ke které složce slunečního ozáření byla vztažena. Veškeré koncentrační kolektory dokáží z principu jejich funkce využít pouze přímou složku ozáření. Skutečná účinnost vyplývající z definice (skutečně využitá energie/využitelné energie) odpovídá tedy křivce účinnosti vztažené k přímě složce ozáření. 71

Výsledky měření odpovídají očekávaným hodnotám. Ideální teoretická účinnost kolektoru, při stoprocentním využití energie, dopadající na čočku osazenou do izolačního dvojskla, se pohybuje okolo 40%. To je dáno skutečnou geometrií lineárních čoček a optickými a tepelnými ztrátami na jednotlivých komponentech poměrně složitého systému. Měření optických vlastností čočky je popsán v následující kapitole. Experimentálním určením charakteristických křivek se podařilo koncentrační kolektory výstižněji charakterizovat ve srovnání s reálnými vlastnostmi pro potřeby matematického modelu (Tabulka 5.3, Graf 5.7). Je nutné znovu zdůraznit, že primární funkcí aktivních rastrových kolektorů je především odstínit přímou složku slunečního záření, a tím odlehčit jeho přehřívání a také prosvětlení skleníku, nebo jiného interiéru. Nelze tedy tento stavební prvek hodnotit pouze z hlediska energie získané ve formě ohřáté vody, ale je nutný komplexní pohled na vnitřní klimatické podmínky ve skleníku, jak bude ukázáno dalšími výsledky některých měření. Tabulka 5.1 Zobrazení vstupních měřených parametrů ovlivňující účinnost koncentračních kolektorů průměrný průtok průměrná průměrná teplota °C teplonosné kapaliny globální radiace vstupující výstupní z datum Interié(vody) l/h W/m2 do rová celková přímá SG3 SG2 SF1 SF1 kolektorů SG3 SG2 882 825 293 423 283 29 20 32 28 25 14.7 874 791 297 422 252 32 24 35 31 29 15.7 879 812 293 426 248 33 29 39 35 33 16.7 856 745 289 435 151 33 32 41 37 36 17.7 821 650 297 428 55 33 37 45 41 41 18.7 807 594 257 352 5 31 39 45 42 38 19.7 829 672 293 422 1 33 45 51 47 41 20.7 783 596 238 266 0 31 45 53 50 46 21.7 411 182 11 6 3 26 33 42 39 38 22.7

Tabulka 5.2 Zobrazení účinnost jednotlivých koncentračních kolektorů při různých teplotách vstupní vody účinnost koncentračních kolektorů datum z celkové dopadající radiace z přímé dopadající radiace SG3 SG2 SF1 SG3 SG2 SF1 28% 26% 26% 29% 27% 30% 14.7 27% 24% 22% 29% 26% 27% 15.7 26% 23% 19% 27% 24% 23% 16.7 25% 21% 12% 28% 23% 17% 17.7 13% 10% 4% 18% 14% 6% 18.7 16% 11% 0% 20% 14% 0% 19.7 17% 11% 0% 20% 13% 0% 20.7 15% 7% 0% 19% 10% 0% 21.7 2% 0% 0% 3% 0% 2% 22.7

72

Tabulka 5.3 Účinnost koncentračních kolektorů na redukovaném teplotním spádu η% η% (ts-tex)/G (ts-tex)/G SG3 SG2 SF1 SG3 SG2 SF1 x x 27% 25% 19%

x x 31% 29% 24%

35% 27% 24% 17% 10%

0.02 0.03 0.04 0.05 0.06

20% 17% 24% x 8%

12% 12% 11% 3% x

6% 3% x x x

55

40%

50

35%

45

30%

40

25%

35

20%

30

15%

25

10%

20

5%

15 14.7

15.7

16.7

17.7

18.7

19.7

20.7

21.7

účinnost

t °C

-0.03 -0.02 -0.01 0.00 0.01

0% 22.7

datum t_prům_interiér

t_prům_vstup-výstup_SG3

t_AKU3 horní

t_AKU3 dolní

SG3_účinnost z přímé radiace

SG3_účinnost z celkové radiace

55

40%

50

35%

45

30%

40

25%

35

20%

30

15%

25

10%

20

5%

15 14.7

15.7

16.7

17.7

18.7

19.7

20.7

21.7

0% 22.7

datum t_prům_interiér

t_prům_vstup-výstup_SG2

t_AKU3 horní

t_AKU3 dolní

SG2_účinnost z přímé radiace

SG2_účinnost z celkové radiace

Graf 5.5 Průběh teplot a vyhodnocené body účinnosti pro kolektory SG2

73

účinnost

t °C

Graf 5.4 Průběh teplot a vyhodnocené body účinnosti pro kolektory SG3

40%

50

35%

45

30%

40

25%

35

20%

30

15%

25

10%

20

5%

15 14.7

15.7

16.7

17.7

18.7

19.7

20.7

účinnost

t °C

55

0% 22.7

21.7

datum t_prům_interiér

t_prům_vstup-výstup_SF1

t_AKU3 horní

t_AKU3 dolní

SF1_účinnost z přímé radiace

SF1_účinnost z celkové radiace

Graf 5.6 Průběh teplot a vyhodnocené body účinnosti pro kolektor SF1

90%

2

ySG3 = -9.57x - 2.74x + 0.28

80%

2

ySG2 = 28.41x - 5.16x + 0.24

70%

2

ySF1 = 30.92x - 5.40x + 0.16

η [%]

60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% -0,06

-0,04

-0,02

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

(ts-tex)/I SG2_teor

SG3_teor

SG2_real

SG3_real

SF1_real

Graf 5.7 Charakteristické křivky účinnosti pro solární soustavy s kolektory SG2 a SG3 včetně (ts-tex)/G rozvodů k akumulačním nádržím

5.1.3.2 Ploché vakuové kolektory V Grafu 5.8 je zobrazen průběh teplot v solární soustavě vakuových kolektorů HELIOSTAR V 400 a vybrané naměřené body účinnosti systému v době jejich ustáleného provozního stavu, tzn. konstantní vstupní teploty do kolektorů a nekolísající sluneční ozáření dopadající na kolektory kolmo. V Grafu 5.9 je zobrazená křivka účinnosti plochých vakuových kolektorů. Srovnání křivky účinnosti samotného vakuového plochého kolektoru slunečního záření Thermo/solar TS400 74

v porovnání s křivkou účinnosti celé solární soustavy, včetně tepelných ztrát rozvodů a ztráty na deskovém výměníku tepla ukazuje, že skutečná účinnost solární soustavy se pohybuje asi 20 % pod hodnotou účinnosti naměřenou pro samotný kolektor. Tyto hodnoty plně korespondují s praktickými zkušenostmi, kdy se u optimálně navržené solární soustavy bez deskového výměníku celoroční účinnost pohybuje okolo 50% (Jirka a kol. 2009). Tabulka 5.4 Zobrazení měřených vstupních parametrů ovlivňující účinnost plochých vakuových kolektorů

882 874 879 856 821 807 829 783 411

t [°C], η [%]

14.7 15.7 16.7 17.7 18.7 19.7 20.7 21.7 22.7

průměrná teplota °C vstupující do exteriérová kolektorů

690 670 668 652 626 622 612 657 630

29 33 34 33 31 28 31 27 24

účinnost kolektorů

výstupní z kolektorů

31 35 39 44 51 58 63 24 30

39 44 48 52 58 63 69 33 33

46% 45% 44% 42% 37% 31% 30% 49% 40%

100

1000

90

900

80

800

70

700

60

600

50

500 46

40 41

40

37

30

300

32

20

200

25

24

10 0 15.VII.07

400

100

16.VII.07

17.VII.07

18.VII.07

19.VII.07

20.VII.07

21.VII.07

den t_exteriér

t_průměr_Heliostar

t_průměr_AKU1

η_Heliostar

I_střecha

Graf 5.8 Průběh teplot a vyhodnocené body účinnosti pro kolektory TS400

75

0 22.VII.07

I [W/m2]

datum

průměrný průtok teplonosné kapaliny (solaren) l/h

průměrná globální radiace W/m2

80% 70% 60%

η [%]

50%

2

y = 1,1111x - 4,5444x + 0,68

40% 30% 2

y = 33,763x - 6,1847x + 0,4775

20% 10% 0% -0,01

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0,1

(ts-tex)/I Heliostar TS 400V - kolektor (ČVUT v Praze 2007)

Heliostar TS 400V - solární systém

(ts-tex)/G Graf 5.9 Standardní křivka účinnosti solární soustavy s kolektory H400V včetně deskového výměníku, vztažená k celkové ploše

5.1.4 Měření optických vlastností Fresnelovy čočky Kromě určení charakteristických křivek kolektorů bylo pro zpřesnění vlastností koncentračních kolektorů důležité určit optické charakteristiky Fresnelovy čočky. Tyto vlastnosti určují disipaci dopadající přímé složky slunečního záření na plochu čočky (kolik energie projde sklem, kolik energie se zkoncentruje na plochu absorbérů a kolik energie projde do interiéru). Určovat optické vlastnosti skleněných rastrů je možné matematickými výpočty, prováděných k tomuto účelu vytvořenému programu RASTER. Výsledky výpočtů však určují horní limity transportované energie, které vychází z dokonalého (ideálního) geometrického tvaru opticky účinných hranolů. V důsledku nejlevnější technologie výroby skleněných tabulí metodou kontinuálního lití není tvar elementů ideální. Do energetické bilance negativně vstupují především rádiusy hran a jiné nepřesnosti, znečištěná vstupní rovná plocha intereagující s atmosférou a podobné efekty, které bilanci v konečném důsledku zhorší. Tyto bilance lze početně kvantifikovat jen s velkými obtížemi, a proto je nezbytné matematickou simulaci doplnit experimentálním měřením s využitím skutečného materiálu reálné čočky a simulací úhlu mezi směrem záření a přicházejícího od Slunce a normálou k rastrovým tabulím. Na základě této úvahy vznikla konstrukce “Simulátoru slunečního svitu“ (viz. Obr.5.8), kterým byl změřen skutečný transport energie rastrovým systémem. Simulátor slunečního svitu je tvořen třemi základními prvky: 1. kolimátor světelného zdroje 2. vidlicová altazimutální montáž 3. regulační, měřící a vyhodnocovací systém Kolimátor je složený ze zdroje záření (halogenová žárovka), zpětného sférického zrcadla, kondenzoru, clony a kolimačního objektivu, kterým je Fresnelova čočka. Systém generuje 76

svazky rovnoběžných paprsků s maximální vzájemnou divergencí 0.53°, což odpovídá podmínkám, za nichž přichází záření ze Slunce. Vidlicová altazimutální montáž zabezpečuje nastavení požadovaného úhlu mezi normálou rastru a dopadajícím světelným tokem z kolimátoru. Natáčením se simuluje reálný dopad slunečního záření na plochu rastru zabudovaného v obvodovém plášti stavby. Úhel je funkcí orientace rastru vůči světovým stranám, sklonu vůči rovině horizontu a funkcí denní a roční doby. Má významný vliv na množství energie, prošlé do interiéru. K nastavení zmíněného úhlu byla zvolena dvouosá montáž (osy jsou k sobě kolmé) zabezpečující nasměrování normály do libovolného úhlu v celém poloprostoru. Za vidlicovou montáží je za rovinou rastru umístněn vozík. Poloha vozíku je nastavitelná ve třech vzájemně kolmých souřadnicích, z toho ve dvou souřadnicích ručně s aretací. Třetí souřadnice je realizována lineárním vedením se stolkem s detektorem, který skenuje intenzitu záření ve vhodné vzdálenosti od rastru s elektronickým odečtem polohy vozíku. Regulační, měřící a vyhodnocovací systém je složen z modulu Raster Rack a z programu RasterTester. Modul Raster Rack řídí celou altazimutální montáž se třemi servopohony. Jeho centrální procesorovou jednotkou je jednočipový mikrokontroler ATMEGA2560 s jádrem AVR (Advanced RISC, Reduced Instruction Set in Computer) z produkce firmy ATMEL. Programu RasterTester (napsán v LabView) slouží pro ovládání modulu RasterRack grafickými kontrolními prvky, vizualizaci aktuálních hodnot v průběhu měření a ukládání měřených dat do souborů. Program grafického rozhraní utváří konečnou podobu uživatelského panelu „virtuálního přístroje“ pro měření rastrů.

3 1

4

2

5

1 2 3 4 5

Kolimátor Altazimutální montáž Lineární vedení Stolek s detektorem Regulační a vyhodnocovací systém

Obr. 5.8 3D model „Simulátoru slunečního svitu“

Při měření aktivních (fokusujících) rastrů je potřebné zjistit rozložení intenzity osvětlení v detekční rovině po fokusaci při známém natočení měřeného vzorku (a po jeho osvětlení rovnoběžným svazkem záření) a toto porovnat s intenzitou v detekční rovině za stejné situace, ale bez vzorku. Vzorkem je možné natáčet ve dvou úhlech a tím simulovat pohyb slunce po obloze. Detektor skenuje vzorek vždy v rovině rovnoběžné s rovinnou plochou aktivního rastru a kolmo ke směru výtvarných hranolů. Změřené rozložení intenzit bez vzorku a se 77

vzorkem je potom následně vyhodnocováno. Integrací plochy pod jednotlivými změřenými křivkami získáme informaci o celkové energii dopadající na aktivní rastr a o energii, kterou se daným optickým účinkem podaří soustředit na absorbér. Teprve z poměru těchto integrovaných hodnot vyjdou poměrná čísla, která dávají představu o účinnosti optického zobrazení. Výsledkem jednoho měřícího cyklu jsou dvě křivky, udávající rozložení ozáření v detekční rovině (Graf 5.10). První křivka představuje ozáření naprázdno v detekční rovině bez měřeného vzorku a charakterizuje zdroj světla – ozáření by mělo v ideálním případě být konstantní v celém měřeném průřezu. Druhá křivka vznikne skenováním v detekční rovině po vložení měřeného vzorku do rámu montáže.

Graf 5.10 Ukázka výstupu z měření optických vlastností čočky

Měřený vzorek odpovídal skutečnému zasklení koncentračních kolektorů realizovaném na modulárním skleníku a detekční rovina také odpovídala skutečné vzdálenosti (40 cm) absorbérů od plochy skla na koncentračním kolektoru. Postupně byly proměřeny: − závislost energie procházející zasklením na úhlu dopadu, − poměr dopadající energie na zasklení a energie, dopadající na absorbér (6 cm nebo 8 cm široký), − poměr energie prošlé zasklením do interiéru a energie zkoncentrované na absorbér (aby bylo možné vyjádřit složku energie vstupující do interiéru jako tepelná zátěž). Výsledky měření znázorňuje jsou znázorněny v Tabulce 5.5.Tabulka 5.5

78

Tabulka 5.5 Zobrazující optické vlastnosti Fresnelové čočky zabudované v izolačním dvojskle, změřeních na simulátoru slunečního svitu, které byly použity pro matematický model výška 0 zářivý tok za zářivý tok v 6 cm zářivý tok v 8 cm zářivý tok čočkou ohnisku ohnisku Uhel Azimut dopadu ∑ % ∑ % ∑ % ∑ % 0 927 100% 655 71% 443 48% 510 55% 0 10 1118 100% 741 66% 499 45% 580 52% 10 20 850 100% 529 62% 388 46% 434 51% 20 30 932 100% 548 59% 468 50% 485 52% 30 40 547 100% 325 59% 204 37% 225 41% 40 50 547 100% 325 59% 204 37% 225 41% 50 Průměr 520 63% 368 44% 410 49% 820 100% výška 10 zářivý tok za zářivý tok v 6 cm zářivý tok v 8 cm zářivý tok čočkou ohnisku ohnisku Uhel Azimut dopadu ∑ % ∑ % ∑ % ∑ % 10 1022 100% 592 58% 456 45% 494 48% 0 14 1072 100% 676 63% 536 50% 575 54% 10 22 672 100% 387 58% 313 47% 341 51% 20 31 877 100% 501 57% 403 46% 433 49% 30 41 627 100% 337 54% 279 45% 295 47% 40 51 535 100% 271 51% 144 27% 176 33% 50 801 100% Průměr 461 57% 355 43% 386 47% výška 20 zářivý tok za zářivý tok v 6 cm zářivý tok v 8 cm zářivý tok čočkou ohnisku ohnisku Uhel Azimut dopadu ∑ % ∑ % ∑ % ∑ % 20 833 100% 481 58% 344 41% 387 46% 0 22 1025 100% 595 58% 442 43% 492 48% 10 28 760 100% 448 59% 344 45% 378 50% 20 36 789 100% 452 57% 343 44% 370 47% 30 44 646 100% 348 54% 253 39% 277 43% 40 53 505 100% 238 47% 137 27% 164 32% 50 Průměr 760 100% 427 55% 311 40% 345 44% výška 30 zářivý tok za zářivý tok v 6 cm zářivý tok v 8 cm zářivý tok čočkou ohnisku ohnisku Uhel Azimut dopadu ∑ % ∑ % ∑ % ∑ % 30 779 100% 401 52% 296 38% 324 42% 0 31 897 100% 493 55% 374 42% 406 45% 10 36 642 100% 324 50% 257 40% 280 44% 20 41 704 100% 350 50% 256 36% 282 40% 30 48 517 100% 261 50% 193 37% 212 41% 40 56 316 100% 150 47% 86 27% 104 33% 50 Průměr 643 100% 330 51% 244 37% 268 41% výška 40 zářivý tok za zářivý tok v 6 cm zářivý tok v 8 cm zářivý tok čočkou ohnisku ohnisku Uhel Azimut dopadu ∑ % ∑ % ∑ % ∑ % 40 796 100% 359 45% 238 30% 265 33% 0 41 575 100% 407 71% 272 47% 299 52% 10

79

Uhel Azimut dopadu 44 20 48 30 54 40 61 50 Průměr

zářivý tok ∑ % 720 100% 615 100% 505 100% 417 100% 605 100%

výška 40 zářivý tok za čočkou ∑ % 388 54% 291 47% 224 44% 170 41% 307 50%

zářivý tok v 6 cm ohnisku ∑ % 247 34% 181 29% 111 22% 85 20% 189 31%

zářivý tok v 8 cm ohnisku ∑ % 280 39% 205 33% 122 24% 103 25% 212 34%

Z těchto hodnot byl vytvořen externí soubor, který sloužil k přesnějšímu určení rozdělení dopadající přímé složky slunečního záření na plochu čočky v matematickém modelu. Pro daný okamžik simulace (polohu Slunce vůči rastru) jsou tak načítány měřené hodnoty energie prošlé do interiéru a energie zkoncentrované na absorbérech koncentračních kolektorů SF1, SG2 a SG3. Tyto hodnoty stanovují chování pouze přímé složky slunečního záření dopadající na plochu skla. Difusní složka slunečního záření přechází přes čočku ve srovnatelném množství jako přes klasické izolační dvojsklo. Určení charakteristických křivek účinností jednotlivých typů kolektorů a optických vlastností lineární Fresnelové čočky umožnilo zpřesnit parametry prvků kolektorů vstupujících do matematického modelu. Na základě měření optických vlastností čočky bylo možné kromě zpřesnění parametrů kolektorů stanovit energetickou zátěž interiéru od sluneční energie, která není absorbéry koncentračních kolektorů absorbována.

5.2 Simulace energetických toků ve skleníku Analytické a výpočetní práce se simulačním prostředím TRNSYS při návrhu modulárního skleníku s optickými rastry v Třeboni probíhaly ve stupních. Prvním stupněm byla předprojektová příprava. Již v období, kdy existoval pouze ideový záměr skleníku, základní geometrické charakteristiky a hrubá představa o materiálech a funkci jsem se zapojil do projektu a vytvořil základní model připravovaného objektu s omezenými parametry a výstupy. Na základě prvních simulací byl vypracován projekt stavebního objektu, který vycházel z namodelovaných parametrů budovy, zohledňující předem zvolený uživatelský režim, nacházející se v klimatickém prostředí, popsaném TRY. Jednalo se o nový způsob projektování, který do projekční praxe přinesl dva zásadní vstupy, které jsou obzvlášť důležité pro projektování objektů s průhlednými nebo průsvitnými plochami, kde se výrazně mění tepelné zatížení interiéru vlivem sluneční radiace: 1. Kvalifikovaný návrh prvků solárních a otopných systémů budovy pro zvolený uživatelský režim 2. Optimalizaci skladby opláštění a stěn objektu s ohledem na energetické potřeby a ceny materiálů Druhým stupněm je sestavení matematického modelu reálně vyprojektované stavby a predikce jejího chování v průměrných klimatických podmínkách, daných použitým TRY. Součástí modelu bylo původní vytvoření účinnostní křivky systému kolektorů s Fresnelovými čočkami na základě měření reálného systému a optických parametrů čoček samotných. Tato charakteristika kolektorových systémů byla implementována do programového prostředí TRNSYS a byla dále využívána v následných modelech. Model dovoluje přenést objekt do libovolného klimatického prostředí, určeného TRY a optimalizovat jej z hlediska stavebních

80

a otopných, solárních technologií pro dané prostředí a předikovat optickou a energetickou výtěžnost objektu a použitých systémů. Matematické simulace v TRNSYSu byly nedílnou součástí vývoje systému skleníku a s mým prvním autorstvím jsou také uvedeny dvě kapitoly ve vydané publikaci (Jirka et. al 2009). Z výsledků, které nejsou uvedeny v publikaci, mají největší význam pro další aplikovatelnost simulačního prostředí TRNSYS následující výstupy: 1. verifikace matematického modelu měřením a určení vlivu okrajových podmínek, 2. porovnání chování skleníku TRY a reálném roce, 3. účinnostní charakteristiky systému s LFČ, 4. rozložení ozáření na čočku jako vstupní hodnota pro konstrukci koncentračních absorbčních systémů.

5.2.1 Předrealizační simulační výpočty Poprvé bylo programu použito v průběhu projektových prací, spojených s přípravou realizace skleníku. Jednalo se o simulaci: − tepelných ztrát skleníku a možných energetických zisků ze všech systémů plochých i koncentračních slunečních kolektorů. Výpočty posloužily jako podklady pro optimalizaci zateplení obvodového pláště skleníku, dimenzování zdroje tepla, potřebného ke krytí tepelných ztrát objektu a k návrhu a dimenzování objemu akumulačních nádrží v souvislosti s projektovanou plochou kolektorů. − energetických bilancí jednotlivých modulů, ze kterých je skleník sestaven, za účelem vzájemného porovnání energetické náročnosti jednotlivých variant. − skleníku zaskleného čirým sklem a rastry, za účelem porovnání teploty vzduchu v interiéru skleníku v průběhu slunečních dní a za účelem porovnání roční spotřeby energie na vytápění a chlazení skleníku. Při simulacích jednotlivých modulů byly východní a západní stěny modulů brány jako interní, tj. teploty vnějších stran stěn byly identické s vnitřní okamžitou teplotou. Toto řešení bylo zvoleno z důvodu zjištění energetická bilance jednotlivých modulů, ze kterých je skleník jako celek složen. Moduly mají stejné teplotní a vlhkostní podmínky. Plocha jednoho modulu činí 25 m2 a objem u střešní verze je 104 m3 a u věžové verze 165 m3. Schéma, navržené v programu TRNSYS Simulation Studio bylo založeno na projektových podkladech stavby a na teoreticky vypočítaných opticko-energetických vlastnostech koncentračních kolektorů a pasivních rastrů. Zahrnovalo pouze prvky, nezbytně nutné k simulaci a zjednodušenou regulaci teplotních poměrů ve skleníku. Pro výpočet tepelných ztrát a zisků objektu, který počítá se všemi složkami energetických toků (vedení, prostup a záření) včetně zisků ze Slunce, bylo nezbytné do energetické soustavy vložit: prvek Multi-Zone Building, který definuje skleník ze stavebního hlediska, tj. definuje jeho geometrii a tepelně-technické vlastnosti, načtené z externího souboru, vygenerovaného v programu TRNBuild. Tepelně technické vlastnosti jednotlivých stěn jsou uvedeny v

− Tabulka 5.6, infiltrace ve skleníku byla nastavena na konstantní hodnotu 0.5 h-1, − prvky Time Depend Forcing Function určovaly požadovaný teplotní a vlhkostní režim ve skleníku v průběhu roku, − prvky Equation určovaly zatížení skleníku sluneční radiací na základě rovnic propustnost sluneční radiace přes optické rastry. Tyto rovnice byly stanoveny na základě měření a teoretických předpokladů fungování optických rastrů (výsledky jsou prezentovány v práci Jirka et. al 2002). 81

Schéma pro výpočet energetických zisků ze slunečních kolektorů obsahovalo: − prvek Flat Solar Collector byl použit nejen pro výpočet energetických zisků z plochých vakuových kolektorů, ale také pro výpočet zisků z koncentračních kolektorů, neboť koncentrační kolektory v současné době knihovna programu neobsahuje. Koncentrační kolektory využívají pouze přímé sluneční záření, proto bylo počítáno pouze s přímou složkou dopadající radiace na koncentrační kolektory, sníženou o 40%. Tato hodnota vyplývá ze ztrát využitelné energie záření průchodem přes dvě vrstvy izolačního skla a nedokonalostí optických vlastností čoček a absorbérů; − prvek Pump, sloužící k cirkulaci teplonosné látky v soustavách; − prvek Storage Tank, model akumulační nádoby do které se akumuluje získaná energie; − prvek Regulation, který na základě porovnávání teplot na výstupu z kolektorů a teplot v akumulační nádrži spouští nebo vypíná cirkulační čerpadlo solární soustavy; − prvek Time Depend Forcing Function, který určuje denní odběr teplé vody z akumulační nádoby. Společné prvky určující nestacionární podmínky simulace: − prvek Weather Data Reader načítající databázi meteorologických dat. Pro tyto předběžné výpočty byla zvolena databáze pražského referenčního roku. − prvek Solar Radiation Procesor, který z globální a difúzní horizontální radiace přepočítává celkovou i přímou radiaci, dopadající na libovolně orientovanou plochu (sklon i azimut). Oba dva systémy (budova a solární soustava) se vzájemně ovlivňují. Teplota v interiéru skleníku má vliv na tepelné ztráty koncentračních kolektorů (absorbér je v interiéru) a akumulačních nádrží. Přímé sluneční ozáření, jež není absorbováno koncentračními kolektory, vstupuje do energetické bilance prostoru jako zisk v interiéru (external heat rate). V období projektových příprav skleníku bylo plánováno využívat prostory k pěstování tropických rostlin. Po konzultaci s odborníky byl do simulace energetické bilance skleníku i jednotlivých modulů vložen roční topný a vlhkostní režim, vyhovující těmto rostlinám. Tento režim byl společný pro výpočet energetické bilance celého skleníku i jednotlivých modulů. Režim byl rozdělen na tři období: 1. období zimní – od 1. listopadu do28./ 29. února – teplota ve skleníku byla udržována na minimální hodnotě 15 °C a relativní vlhkost vzduchu byla udržována na hodnotě 60 %. 2. období letní – od 1. března do 30. září – teplota v skleníku byla udržována v rozmezí 25 °C až 28 °C a relativní vlhkost vzduchu byla udržována na hodnotě 85 %. 3. období přechodné – od 1. října do 31. října – teplota v skleníku byla udržována na minimální hodnotě 19 °C a relativní vlhkost vzduchu na hodnotě 60 %. Tento režim nebyl definován ve střešním modulu s plochými vakuovými kolektory. V tomto modulu byla teplota udržována v rozmezí 20°C až 28°C. Relativní vlhkost vzduchu nebyla regulována. Na střeše energetického modulu bylo navrženo 8 ks plochých vakuových kolektorů s celkovou plochou 16 m2, na střešních modulech s aktivními rastry bylo 2 x 15 m2 střešních koncentračních kolektorů s lineární Fresnelovou čočkou (SG2, SG3) a 15 m2 fasádního koncentračního kolektoru (SF1) bylo součástí fasádních modulů. Při první simulaci byly zisky ze solárních kolektorů akumulovány do jedné akumulační nádrže o celkovém objemu 10 m3.

82

Pro stanovení možných očekávaných energetických zisků slunečních kolektorů v celém skleníku bylo při simulaci počítáno s denním odběrem teplé vody v následujícím režimu: - ráno od 5:00 hod. do 8:00 hod. 50 l/hod. - v poledne od 12:00 hod. do 15:00 hod. 60 l/hod. - večer od 18:00 hod. do 21:00 hod. 50 l/hod. Pro stanovení energetických zisků jednotlivých modulů, ve kterých jsou umístněné systémy na aktivní využívání sluneční energie (střešní a věžové energetické moduly s průsvitnými koncentračními kolektory, vysokoteplotní modul s využitím plochých vakuových kolektorů), byl zvolen denní harmonogram odběru ohřáté vody kolektory v následujících časových intervalech: - ráno od 5:00 hod. do 8:00 hod. 30 l/hod. - v poledne od 12:00 hod. do 15:00 hod. 30 l/hod. - večer od 18:00 hod. do 21:00 hod. 30 l/hod. V energetických modulech s průsvitnými koncentračními kolektory byly umístněné fiktivní zásobníky vody o objemu 0,25 m3 a v energetickém modulu, který využívá ploché vakuové kolektory, byly umístněné zásobníky o celkovém objemu 10 m3. Důvodem pro umístnění 250 l zásobníků v modulech s koncentračními kolektory bylo vytvoření uzavřeného solárního okruhu v matematickém modelu pro zjištění možných energetických zisků koncentračních kolektorů. V rámci předrealizačních výpočtů bylo testováno pět základních variant skladby obvodového pláště s různou tloušťkou tepelné izolace. Výsledků simulací bylo následně použito k optimalizaci tloušťky tepelné izolace. Počáteční matematické simulace skleníku, prováděné před realizací stavby měly za cíl stanovit: − tepelné ztráty objektu a energetické potřeby pro různé alternativy tloušťky tepelné izolace, potřebné pro volbu tloušťky tepelné izolace na zateplení skleníku a stanovení výkonu zdroje tepla − množství energie spotřebované na topení resp. chlazení prostor skleníku ve stanoveném teplotním režimu, pro porovnání alternativ použití čirého skla a rastrových skel − možné energetické zisky ze solárních systémů využitelných pro vytápění skleníku a stanovení velikosti nádrží určených k akumulaci těchto zisků

Obr. 5.9 Základní schéma pro výpočet předběžných energetických bilancí skleníku a solárního systému

83

Tabulka 5.6 Specifikace vlastností konstrukcí použitých při výpočtu energetické bilance skleníku

Název Stěny

umístění (int./ext.)

PODLAHA

přilehlá k zemině

STĚNA

exteriér

STŘECHA

exteriér

VĚNEC

exteriér

PODLAHA1

přilehlá k zemině

Skladba

Součinitel prostupu tepla u Celková tloušťka požadované Vypočtené hodnoty dle ČSN 73 0540-2 [m] [W/m2K] [W/m2K]

Tloušťka skladeb

Hutný beton Štěrk Omítka vnitřní Dutá cihla ORSIL Omítka vnější ORSIL Dřevo měkké Hydroizolace Železobeton Polystyren

[m] 0,10 0,10 0,03 0,30 0,15 0,03 0,25 0,03 0,01 0,35 0,10

Zemina

0,50

0,2

0,60

2,404

0,51

0,38

0,327

0,29

0,24

0,261

0,45

0,38

0,328

0,50

0,60

1,897

solární absorpce rámu

plocha rámu/ plocha okna

0,6

0,15

Součinitel prostupu tepla u okno OKNO Doporučené hodnoty dle Použité ČSN 73 0540-2 [W/m2K] [W/m2K] 1,5 DVOJSKLO 1,20

rám Doporučené hodnoty dle Použité ČSN 73 0540-2 [W/m2K] [W/m2K] 2,0 2,27

5.2.1.1 Zhodnocení výsledků simulací První matematická simulace měla za cíl stanovit maximální tepelné ztráty skleníku a předpokládané roční energetické potřeby na vytápění skleníku pro různé tloušťky tepelné izolace použité na zateplení akumulačních obvodových zdí skleníku. Počítaly se maximální ztráty a bilance pro pět alternativ s tloušťkou tepelné izolace 20 cm, 15 cm, 10 cm, 5 cm a bez tepelné izolace. Tloušťky byly zvoleny na základě nejčastěji používaných rozměrů při zateplování objektů. Výsledky jsou prezentovány v Tabulka 5.7 a Grafu 5.11. V Tabulce 5.7 jsou porovnány výsledné hodnoty výpočtů maximální tepelné ztráty skleníku při teplotě exteriéru -17 °C a teplotě interiéru +16°C pro všech pět alternativ a také zobrazuje roční sumy energetických potřeb skleníku na krytí tepelných ztrát pro zvolený teplotní režim. V Grafu 5.11 jsou pak znázorněny měsíční sumy energetických potřeb skleníku pro jednotlivé tloušťky použité izolace. Tabulka 5.7 Maximální tepelné ztráty skleníku a roční energetické potřeby skleníku pro různou tloušťku izolace obvodových zdí Tloušťka izolace 20 Maximální ztráty skleníku v kW při teplotě exteriéru 12.83 17°C a teplot ě interiéru 16°C Roční energetické potřeby v kWh na krytí tepelných 36869 ztrát skleníku

84

15

10

5

0

13.05

13.39

14.02

15.75

37782

39265

41978

48693

IZOLACE

8 7 6

Q [MWh]

5 4 3 2 1 0

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

Q_20cm

4,34

4,39

5,92

3,91

2,00

1,31

0,87

1,28

2,98

2,26

2,83

4,77

Q_15cm

4,44

4,50

6,04

4,01

2,07

1,36

0,91

1,32

3,05

2,32

2,90

4,87

Q_10cm

4,60

4,67

6,25

4,17

2,17

1,44

0,96

1,38

3,17

2,43

3,01

5,02

Q_5cm

4,88

4,99

6,62

4,45

2,37

1,59

1,06

1,50

3,38

2,62

3,20

5,31

Q_0cm

5,60

5,78

7,55

5,16

2,85

1,97

1,32

1,79

3,90

3,09

3,67

6,02

Graf 5.11 Porovnání variantního řešení pro různé tloušťky tepelné izolace

Na základě těchto výpočtů byla určena tloušťka tepelné izolace pro obvodové zdi 15 cm. Při této tloušťce vychází součinitel prostupu tepla u = 3.3 W/m2K což je méně, než požadavek daný normou. Následně byl porovnáván roční průběh energetických potřeb skleníku na topení a chlazení dvou variant, se zasklením standardním a se zasklením lineárními rastry. Při porovnávání těchto alternativ se počítalo s tloušťkou tepelné izolace obvodových zdí 15 cm. Výpočty měly za cíl stanovit výhodnost využití optických rastrů ve skleníku z hlediska udržení vnitřních teplotních podmínek v letním období oproti alternativě, využívající klasické čiré izolační dvojsklo. Porovnání měsíční energetické bilance skleníku zaskleného čirým izolačním sklem a skleníku zaskleného aktivními a pasivními rastry jsou znázorněny na Grafu 5.12. Roční energetická bilance skleníku, porovnávající standardní a rastrové zasklení je uvedena v Tabulce 5.8. V Grafu 5.13 jsou porovnávány denní průběhy chladícího výkonu potřebného na udržení požadované interiérové teploty ve skleníku, která v letním období činila 28°C pro případ, kdy je skleník zasklen klasickým čirým izolačním dvojsklem a pro případ, kdy jsou pro zasklení skleníku použity izolační dvojskla s pasivními i aktivními rastry. Důležitá informace získaná simulací je znázorněná na Grafu 5.14. Na tomto grafu je znázorněn vypočítaný průběh teploty vody v akumulační nádrži o velikosti 10 m3, která je ohřívána všemi typy slunečních kolektorů instalovaných ve skleníku při výše stanoveném odběru teplé vody. Výpočty energetických bilancí pro jednotlivé střešní a věžové moduly, nacházející se ve skleníku nám určily, jaké jsou jejich předpokládané energetické potřeby na vytápění a chlazení. U modulů s kolektorovým systémem byly také vypočteny jejich roční energetické zisky. Porovnání těchto výsledků simulací znázorňuje Tabulka 5.9.

85

PASIVNÍMI A AKTIVNÍMI RASTRY

POTŘEBA CHLADIT

6

4

POTŘEBA VYTÁPĚT

Q [MWh]

2

0

-2

-4

-6

-8 I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

MĚSÍC

Q_sklo

Q_raster

Graf 5.12 Porovnání měsíčních energetických bilancí skleníku zaskleného čirým izolačním dvojsklem a zaskleného pasivními a aktivními rastry Tabulka 5.8 Roční energetická bilance skleníku – vybraná varianta

Skleník celek

Použité zasklení 1

2

Qtopení Qchlazení [kWh] [kWh] sklo rastry aktivní, pasivní

Qrok/plocha [kWh/m2a]

Qzisk Qzisk/plocha [kWh] [kWh/m2a]

37782

6172

43956

292

5753

38

37048

1626

38674

256

7201

48

PŘI POUŽITÍ OPTICKÝCH RASTRŮ A ČÍREHO SKLA

32,0 30,0 28,0 rastry sklo

t [°C]

Qcelkové [kWh]

chlazení interiéru kWh 30 76

16000 14000

rozdíl kWh

%

47

61%

12000

26,0

10000

24,0

8000

22,0

6000

20,0

4000

18,0

2000

16,0 0:00

3:00

6:00

9:00

12:00

15:00

18:00

21:00

0 0:00

DATUM t_exteriér

t_interiér_rastry

t_interiér_sklo

Q_chlazení_rastry

Q_chlazení_sklo

Graf 5.13 Ukázka průběhu chladicího výkonu potřebného na udržení teploty interiéru ve skleníku v průběhu letního dne

86

60

50

40

t [°C]

30

20

10

0

-10

-20 0-I.

30-I.

29-II.

30-III.

29-IV.

29-V.

28-VI.

28-VII.

27-VIII.

26-IX.

26-X.

25-XI.

25-XII.

DATUM t_AKU_rastry

t_AKU_sklo

t_exteriér

Graf 5.14 Roční průběh tepoty v akumulačních nádržích Tabulka 5.9 Roční energetická bilance jednotlivých modulů

Použité zasklení

Modul Střešní

1 2 3 4

Modul Věžový

1 2 3

Qtopení Qchlazení Qcelkové Qrok/plocha Qzisk Qzisk/plocha 2 [kWh] [kWh] [kWh] [kWh/m a] [kWh] [kWh/m2a] sklo rastry pasivní rastry aktivní kolektor sklo rastry pasivní rastry aktivní

3518

2971

6489

260

0

0

4121

1183

5304

210

0

0

4204

1294

5499

220

1535

61

2739

130

2868

115

6665

267

2789

5135

7925

317

0

0

3279

2712

5991

240

0

0

3571

2053

5624

225

1190

48

Zhodnocení výsledků Výsledkem simulací bylo stanovení maximální tepelné ztráty a roční energetické bilance skleníku pro varianty s různou tloušťkou tepelné izolace, možné energetické zisky ze solárních systémů, umístněných na skleníku v průběhu jednoho roku, určil teplotu vody v akumulační nádrži a vzájemně porovnal roční energetické bilance jednotlivých modulů, ze kterých je skleník sestaven. Tepelné ztráty skleníku jsou při teplotě exteriéru -17 °C a teplotě interiéru 16°C 13kW. Při této tepelné ztrátě a stanoveném topném režimu je předpokládaná spotřeba tepla na vytápění 37 MWh/a což představuje měrnou spotřebu tepla na vytápění 256 kWh/m2a. Z výsledků je dále patrné, že využití aktivních i pasivních optických rastrů v jižní střeše a fasádě je z hlediska udržení požadované vnitřní teploty vzduchu v interiéru skleníku výhodné. V letním období je s tímto zasklením snížená spotřeba energie na chlazení z původně předpokládaných 6.1 MWh/a u varianty s klasickým čirým zasklením na 1.6 MWh/a se zasklením s optickými 87

rastry. Úspora energie na chlazení představuje 74%. Jednoznačně se tak potvrdila vhodnost využití optických rastrů. Aktivními rastry se také kromě snížení energetické zátěže ve skleníku získá tepelná energie, která se akumuluje v nádržích k jejímu dalšímu využití hlavně pro vytápění skleníku v přechodném období. Tyto zisky, při stanoveném režimu vytápění a odběru teplé vody, představují 1.5 MWh/a. Výpočty jsem také zjistil, že pro navržené množství kolektorů (16m2 plochých vakuových kolektorů, 30m2 střešních koncentračních kolektorů a 15m2 fasádního koncentračního kolektoru) a stanoveném denním odběru teplé vody z nádrže nedochází k jejímu přehřívání. Teplota vody se pohybuje okolo 45 °C, maximální teplota dosahuje 60°C. Navržený objem akumulačních nádrží 10 m3 se ukázal být dostatečný. Z energetického hlediska je nejvýhodnější modul s plochými vakuovými kolektory s roční plošnou spotřebou tepla na úrovni 115 kWh/m2a. Tento modul však není pěstební a může být využit jen jako doplňkový k některému typu pěstebního modulu, tj. modulu, který je zasklen jak na jižní fasádě, tak i na jižní střeše. Střešní pěstební modul využívající pasivní optické rastry má roční plošnou spotřebou tepla na vytápění a chlazení 210 kWh/m2a. Tato hodnota je ze všech nejnižší. Střešní modul využívající aktivní optické rastry má roční plošnou spotřebou tepla na vytápění a chlazení v porovnání s pasivními rastry o 10 kWh/m2a vyšší. Je to dáno tím, že v letním období pasivní rastry propouští menší množství sluneční radiace do interiéru, čím se sníží energetické výdaje na chlazení vnitřního prostoru. V zimním období zase pasivní rastry propouští více slunečního záření do interiéru, čím se prostor ohřívá a snižují se tak energetické výdaje na topení. Výhodou střešního modulu s aktivními rastry je v tom, že je možné aktivně získat 1.5 MWh/a tepelné energie. Tím se může snížit i měrná plošná spotřeba tepla na hodnotu 159 kWh/m2a. Jejich nevýhodou je, že vyžadují vyšší vstupní investiční náklady na nutné dodatečné technologické vybavení, které při využití pasivních rastrů není potřebné. Z těchto výsledků byly získány důležité informace ohledně energetické náročnosti navrženého experimentálního skleníku, které sloužily při projektování tepelného hospodářství skleníku. Také jsme se utvrdili v názoru, že optické rastry jsou pro snižování energetické zátěže interiérů s velkým prosklením obvodového pláště velice účinné a pomáhají tak, ke snižování nebo úplnému odstranění energie, potřebné k chlazení těchto prostor získané z klimatizačních zařízení. Výsledky energetických bilancí jednotlivých modulů, použitých ve skleníku poskytují důležitou informaci pro projektanta, při hledání optimálního řešení skladby daného typu skleníku z hlediska jak energetických, tak i ekonomických.

5.2.2 Simulace, podílející se na vývoji skleníku, prováděné v průběhu jeho monitorování Simulační schéma bylo v průběhu monitorování skleníku několikrát měněno a upravováno tak, aby sledovalo prováděné změny v technologii i regulaci a aby byly co nejlépe popsány děje v objektu probíhající. Simulace byly prováděny pro kratší časové intervaly cca 7 – 14 dní s 15 min. krokem výpočtu kvůli přesnějšímu zachycení podmínek ve skleníku. Významným přínosem bylo vložení vlastní databáze meteorologických dat, zaznamenávaných v 15 min. intervalu. Některé z těchto hodnot byly měřeny přímo ve skleníku (radiace dopadající na ploché vakuové kolektory, exteriérová teplota), ostatní byly měřeny na meteorologické stanicí (globální radiace, difúzní radiace) umístěné na budově Třeboňského Inovačního Centra vzdáleného cca 800 m vzdušnou čarou od skleníku (Obr. 5.10). Matematické simulace je výhodné využívat nejen ke stanovování celkových ročních energetických bilancí sledovaného objektu nebo systému, ale také pro výpočty v kratších

88

časových intervalech. Výhodou těchto kratších časových intervalů (cca 5 až 14 dní) je možnost zaměřit se na extrémní období v roce. V letním období je vhod né sledovat jasné dny s vyobjekt sokou teplotou vzduchu. V tomto období hrozí nebezpečí přehřívání vnitřních prostor především u objektů s velkým podílem budova prosklení. ENKI V přechodném období je meteorolo možné sledovat opodstatněnost kombinace velkých prosklených ploch s velkou akumulační schopností hmotných konstrukcí objektu. Všechny simulace kratších časových úseků dávají projektantům jinak Obr. 5.10 Umístění a vzdálenost meteorologické stanice od nedostupné technické modulárního skleníku podklady a pomáhají optimalizovat konstrukční a technické řešení stavby. Velký význam mají i pro uživatele, neboť je předem seznámen s energetickou náročností zvoleného režimu využívání stavby a tedy s finanční dostupností navrženého provozu. 5.2.2.1 První porovnání naměřených a vypočtených hodnot V matematickém modelu skleníku došlo k následným změnám: − byla upravena skladba exteriérové zdi podle skutečného provedení stavby. Místo 15 cm tepelné izolace minerální vlny Orsil, se kterou bylo počítáno v projektu, byla použita tepelná izolace z polystyrénu o tloušťce 10 cm a změnila se tloušťka tepelné izolace severní střechy z 25 cm na 16 cm, − oproti původním předpokladům se zjednodušil teplotní a vlhkostní režim z důvodů nově definovaných nižších nároků na pěstované rostliny. V zimním období byla definována a monitorována pouze nejnižší požadovaná teplota, nejvyšší požadovaná teplota nebyla stanovena. V letním období byla monitorována naopak pouze nejvyšší požadovaná teplota. V případě překročení nastavené maximální teploty v interiéru byla automaticky otevřena větrací okna na střeše a zvýšila se tak intenzita výměny vzduchu ve skleníku, − chlazení tepelným čerpadlem nebylo využito, neboť žádná z pěstovaných rostlin nevyžadovala striktní dodržení nejvyšší možné teploty, − v přechodovém období byla sledována požadovaná nejnižší i nejvyšší teplota. Teplota ve skleníku byla regulována vytápěním nebo otevřením střešních oken. Schéma popisující solární soustavy (Obr. 5.11) bylo změněno tak, aby odpovídalo realizovanému systému: − vložení dalších dvou akumulačních nádob. Tím byla oddělena solární soustava s plochými vakuovými kolektory TS400 od soustavy s koncentračními kolektory SF1, SG2 a SG3. Do akumulační nádoby AKU1 bylo ukládáno teplo z vakuových kolektorů a do nádrže AKU2 a AKU3 bylo ukládáno teplo z koncentračních kolektorů v závislosti na teplotě v nádrži (vždy do nádoby s nižší teplotou), 89

− mezi akumulační nádobu AKU1 a vakuové kolektory byl vložen výměník tepla, který odděloval primární a sekundární okruh solárního soustavy. Protože vakuové kolektory jsou umístněné v exteriéru, je v primárním okruhu nemrznoucí teplonosná látka (SOLAREN), zatímco v sekundárním okruhu, který je celý v interiéru, je teplonosnou látkou voda, − byly stanoveny skutečné odběry teplé vody do vzduchotechnické jednotky podle měřených dat ve skleníku, − vlastnosti koncentračních kolektorů zůstaly při této simulaci nezměněné.

Obr. 5.11 Doplněné schéma o další komponenty pro detailnější výpočet energetických toků ve skleníku

5.2.2.1.1 Výsledky První použitelná data ze systému MaR byla archivována od 15. června 2006 s intervalem ukládání 15 min. Po dokompletovaní měřícího a regulačního systému byly sledovaný průběhy teplot v interiéru a energetické zisky ze solárních systémů v závislosti na okolních podmínkách. Výsledků bylo následně použito pro porovnání změřených a vypočtených, hodnot skleníku, nasimulovaných v prostředí TRNSYS. Porovnával jsem kratší časové úseky v letním období. Zajímalo nás porovnání následujících změřených a vypočtených hodnot: − teplot interiéru ve věžové a střešní části skleníku, − energetických zisků z plochých vakuových a koncentračních kolektorů, − teploty v akumulačních nádržích AKU1 a AKU3. Teplota interiéru Jak již z první simulace vyplynulo, použití aktivních i pasivních optických rastrů má pozitivní vliv na snižování energetické zátěže vnitřního prostředí, což se u první simulace projevilo 74% snížením energetických výdajů na udržení požadované interiérové teploty v průběhu teplého letního dne a 60% snížením potřebného výkonu chladícího zařízení 90

k udržení této teploty. V letním období se nevyužívalo aktivní chlazení tepelným čerpadlem k udržení požadované nejvyšší interiérové teploty. V reální provozu se chlazení interiéru provádělo automatickým otevíráním oken, kterým se zvyšovala výměna vzduchu v interiéru. Z tohoto důvodu se vypočtený a skutečný výkon chladícího zařízení neporovnával. Výsledkem simulace bylo porovnání naměřené a vypočtené interiérové teploty. Toto porovnání nepřímo určilo jak se optické vlastnosti aktivních i pasivních rastrů podílejí na snižování energetické zátěže vnitřních prostor skleníku. Byly porovnány teploty interiéru ve věžové a střešní části skleníku. Teplotu v interiéru ovlivňuje více faktorů především teplota exteriéru, relativní vlhkost, oslunění a množství záření prošlé do interiéru, akumulační schopnosti stavebních konstrukcí, infiltrace vzduchu, resp. režim větrání atd. Teploty interiéru jsou měřeny v horizontálním i vertikálním profilu skleníku. Ve střešní sekci je jedno teplotní čidlo umístněné ve spodní části a jedno ve vrchní části skleníku, ve věžové části jsou ve vertikálním řezu umístněná čtyři teplotní čidla. Na Grafu 5.15 je vidět, že ve věžové části je rozdíl mezi spodní a vrchní teplotou až 6 °C. Nevýhodou při porovnávání těchto hodnot s vypočtenými hodnotami je fakt, že program počítá jenom jednu teplotu v jednotlivých zónách. Pro porovnání měřených a vypočtených hodnot jsem vybral pro věžovou část teplotu v polovině výškového profilu, která charakterizuje střední teplotu interiéru. Ve střešní části je rozdíl mezi vrchní a spodní teplotu zanedbatelný, proto nebylo potřebné počítat střední teplotu. Porovnání teploty naměřené s teplotou vypočtenou je znázorněn pro věžovou část skleníku v letním období na Grafu 5.16 a pro střešní část skleníku na Grafu 5.17.

∆t = 6 °C

36

32

t [°C]

28

24

20

16 0:00

3:00

6:00

9:00

12:00

15:00

18:00

21:00

0:00

čas t_sec1_real_horní

t_sec1_real_dolní

Graf 5.15 Zobrazení průběhu teploty ve vrchní a spodní části věžového modulu skleníku (17.6.2006)

91

2100

34

1950

32

1800

30

1650

28

1500

26

1350

24

1200

22

1050

20

900

18

750

16

600

14

450

12

300

10

150

8 14.8

15.8

16.8

17.8

18.8

19.8

20.8

21.8

22.8

23.8

24.8

25.8

26.8

27.8

28.8

I [W/m2]

t [°C]

36

0 29.8

Datum t_exteriér

t_věžový_vypočtená

t_věžový_naměřená

Radiace_global

36

2100

34

1950

32

1800

30

1650

28

1500

26

1350

24

1200

22

1050

20

900

18

750

16

600

14

450

12

300

10

150

8 14.8

15.8

16.8

17.8

18.8

19.8

20.8

21.8

22.8

23.8

24.8

25.8

26.8

27.8

Datum t_exteriér

t_střešní_vypočtená

t_střešní_naměřená

Radiace_global

Graf 5.17 Porovnání naměřené teploty s vypočtenou ve věžové části skleníku

92

28.8

0 29.8

I [W/m2]

t [°C]

Graf 5.16 Porovnání naměřené teploty s vypočtenou ve věžové části skleníku

Energetické zisky kolektorů a teplota v akumulačních nádržích

t [°C]

První simulace navrženého solárního systému poskytla základní informace, týkající se předpokládaného energetického zisku z plochých vakuových kolektorů a koncentračních kolektorů v průběhu roku a předpokládanou teplotu v akumulační nádrži. Tyto informace byly získány vytvořením jednoduchého simulačního schématu, tvořeného základními prvky. Pro případ, kdy jsme již chtěli porovnávat skutečné energetické zisky z jednotlivých typů kolektorů, bylo nutné sestavit i detailnější simulační schéma, které více odpovídá skutečnosti. Důležitou změnou bylo oddělení okruhu plochých vakuových kolektorů od koncentračních kolektorů. Ploché vakuové kolektory jsou přímo určené na ohřev teplé vody a dokáží s vysokou účinností pracovat i při zvýšené vstupní teplotě vody. Koncentrační kolektory nemají jen funkci ohřevu teplé vody ale také osvětlovací a klimatizační. Jejich účinnost výrazně klesá se zvyšující se teplotou vstupní vody. Proto není výhodné akumulovat teplo z plochých vakuových kolektorů a z koncentračních kolektorů do jedné akumulační nádrže. Ve skleníku jsou nainstalovány tři samostatné akumulační nádrže. Do akumulačních nádrží je odváděno teplo získané ze slunečních kolektorů, tepelného čerpadla a elektrických topných patron. Teplo z nádrží je využíváno vzduchotechnickou jednotkou na vytápění skleníku. V letním období, kdy je potřeba vytápění skleníku nulová nebo minimální, je tepelné čerpadlo i elektrické patrony vypnuty. Teplota v akumulačních nádržích závisí pouze na množství tepla, dodaného z kolektorových polí. Ploché vakuové kolektory předávají teplo přes deskový výměník tepla pouze do akumulační nádrže AKU1. Porovnání naměřené teploty s vypočtenou teplotou v akumulační nádrži AKU1 je znázorněn 85 v Grafu 5.18. Porovnání 80 naměřeného a vypočteného 75 70 množství tepla dodaného do 65 AKU1 v průběhu dne je 60 znázorněno v Grafu 5.19. 55 Koncentrační kolektory 50 Solarglas SF1, SG2 a SG3 do45 dávají teplo do akumulačních 40 nádob AKU2 a AKU3. Do 35 15.7.2006 16.7.2006 17.7.2006 18.7.2006 19.7.2006 20.7.2006 21.7.2006 které nádoby se teplo akumuDatum luje, reguluje MaR (měření a regulace) v závislosti na teplotě vody v akumulačních nádobách Graf 5.18 Porovnání naměřené teploty v AKU1 s vypočtenou a na výstupní teplotě vody 80 z koncentračních kolektorů. 12% 10% 11% 20% 1% 17% 70 V porovnávaném časovém úse60 ku se teplo z koncentračních 50 kolektorů akumulovalo do akumulační nádoby AKU3. 40 V Grafu 5.20 jsou znázorněny 30 naměřené a vypočtené teploty 20 v AKU3 a v Grafu 5.21 jsou 10 znázorněny denní sumy dodané 0 15.7.2006 16.7.2006 17.7.2006 18.7.2006 19.7.2006 20.7.2006 energie naměřené a vypočtené. Datum Teplota-AKU1-Dolní

t_vrchní_vypočtená

Q[ kWh]

Teplota-AKU1-Horní

t_spodní_vypočtená

71

63

61

56

51

54

51

44

70

63

43

43

Q_KOL_naměřené

Q_KOL_vypočtené

Zhodnocení výsledků Porovnání výsledků naměře- Graf 5.19 Porovnání naměřeného tepla dodaného do AKU1 vakuovými kolektory s vypočtenými hodnotami ných s vypočtenými mělo za cíl 93

t [°C]

55 zjistit vzájemnou míru shody, ze které je následně vidět, jak 50 sestavený model koreluje s reálnou stavbou resp. 45 systémem. Interiérové teploty vzduchu 40 ve střešní a věžové části skle35 níku dávají představu o modelu skleníku ze stavebního hlediska 30 tj. modelu stavby, charakteri15.7.2006 16.7.2006 17.7.2006 18.7.2006 19.7.2006 20.7.2006 21.7.2006 Datum zovaného stavebními konstrukcemi, orientací, plochou a objemem vnitřního prostoru a Graf 5.21 5.20 Porovnání naměřené teploty v AKU3 s vypočtenou teplotním režimem. Výsledky 20 18 ukazují, že vypočítané střední 16 teploty interiéru se do velké 14 míry shodují s naměřenými 12 teplotami. Větší rozdíl nastává 10 v noční době, kdy vypočtená 8 teplota je cca o 2 K nižší než 6 4 skutečná. Tento rozdíl přičí2 táme tomu, že matematický 0 model podhodnocuje akumu15.7.2006 16.7.2006 17.7.2006 18.7.2006 19.7.2006 20.7.2006 Datum laci tepla z dopadajícího slunečního záření do hmotných zdí. Akumulovaná energie je 5.21 Porovnání naměřeného tepla dodaného do AKU3 Graf 5.20 v průběhu noci zpětně vyzařo- koncentračními kolektory s vypočtenými hodnotami vána ze stěn a přispívá k ohřevu interiéru skleníku. Avšak i s touto chybou dosahuje korelace mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami v průběhu patnáctí sledovaných dní v letním období u střešní části skleníku hodnoty r = 0.91 a u věžové části skleníku dokonce hodnoty r = 0.93. Z těchto výsledků je možné konstatovat, že model charakterizující stavební část skleníku se chová jako skutečná stavba a tak je možné sledovat jeho chování pro různé časové úseky v průběhu roku. Sledování a porovnávání energetických zisků ze slunečních kolektorů dává představu o správnosti fungování modelu solárního systému. Vypočtené denní sumy získané energie z plochých vakuových kolektorů v rámci šesti letních dní kopírují naměřené hodnoty. Rozdíl mezi těmito hodnotami je v průměru 12%. Vypočtené teploty v AKU1 s dostatečnou přesností kopírují skutečný průběh teplot v nádrži. Teplota v akumulačních nádržích má stoupající trend, který je dán tím, že naakumulované teplo se v tomto čase nevyužívalo vzduchotechnickou jednotkou k vytápění skleníku. Pozvolné ochlazování nádrže v čase, kdy kolektory nedodávaly teplo do nádrže, je způsobeno tepelnými ztrátami akumulační nádrže do okolí. Tyto ztráty se však podílejí na temperování prostoru skleníku. Ve večerních hodinách 17. 7. jsme spustili tepelné čerpadlo, které ochlazovalo vodu v AKU1. Vypnuli jsme ho v ranních hodinách následujícího dne. Sepnutím čerpadla jsme sledovali chladící funkci, která je u tohoto typu tepelného čerpadla možná. I toto ochlazování je v matematickém modelu zohledněno a tak i v tomto čase křivka vypočtené teploty vody v nádrži kopíruje křivku se skutečně změřenou teplotou. t_vrchní_naměřená

t_spodní_naměřená

14%

34%

t_spodní_vypočtená

3%

15%

53%

Q[ kWh]

61%

t_vrchní_vypočtená

19

15

7

6

8

6

9

9

9

9

8

5

Q_SG_naměřené

Q_SG_vypočtené

Porovnání energetických zisků z koncentračních kolektorů v sledovaném období vykazuje oproti výsledkům z plochých vakuových kolektorů horší korelace. Dva dny vykazují velkou 94

Q [W]

odchylku mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami. První den 15.7. jsou vypočtené energetické zisky o 61% vyšší oproti změřeným a 18.7. jsou zase o 53% nižší než skutečné. Kdy tyto odchylky nastaly v rámci daného dne je vidět na Grafu 5.22. První den tj. 15.7. nastaly odchylky v dopoledních hodinách. V tomto čase byly pohyblivé rámy s absorbéry koncentračních kolektorů vyvedeny z ohniska čoček. Tímto vyvedením absorbérů z ohniska čoček jsme chtěli zjistit, jaký vliv na možnou energetickou výtěžnost má taková poloha rámu. Výkon koncentračních kolektorů se snížil na 20% předpokládaného výkonu. Z této ukázky je vidět, jak je velice důležité pro správnou funkci koncentračních kolektorů mít systém, který dokáže správně navádět absorbéry do ohniska čoček v každý okamžik v roce. I druhý den tj. 19. 7. nastaly odchylky mezi měřenými a vypočtenými hodnotami hlavně v dopoledních hodinách. Tento rozdíl není způsoben samotním kolektorem, ale dalším důležitým prvkem v solárním sytému, kterým je akumulační nádrž. Jak je vidět na Grafu 5.20, který porovnává vrchní a spodní teplotu vody v akumulační nádrži AKU3 (ohřívanou koncentračními kolektory), jsou teploty vzájemně shodné až do poledne čtvrtého dne (18. 7. 06). Pak nastává zlom a vypočtené teploty mají nadále stoupající trend, zatímco skutečná teplota vody v nádrži klesá. V tomto čase se promíchávala voda mezi AKU1 a AKU3, přičemž voda v AKU1 se chladila tepelným čerpadlem, takže i voda v AKU3 se tímto ochlazovala. Tím, že ve skutečnosti byla teplota vody v nádrži nižší než výpočtem předpokládaná, koncentrační kolektory začaly odevzdávat teplo do nádrže dřív, než se začalo odevzdávat v průběhu simulace. Několikahodinový časový rozdíl způsobil také rozdíl v energetické výtěžnosti sytému. Pokusem se zase prokázalo, že u koncentračních kolektorů je velice důležitým parametrem pro dostatečnou využitelnost zkoncentrované sluneční energie na ohřev vody její samotná vstupní teplota. 1800 Je zajímavé porovnat teplotu 1600 vody v akumulační nádrži 1400 AKU1 a AKU3. Jak již bylo 1200 zmíněno, ploché vakuové ko1000 lektory jsou schopny ohřívat 800 vodu na podstatně vyšší teploty 600 než koncentrační kolektory. 400 V AKU1 se teplota vody pohy200 bovala v sledovaném časovém 0 úseku i na úrovni 80°C, za15.7 16.7 17.7 18.7 19.7 20.7 21.7 Datum tímco teplota vody v AKU3 nepřesáhla 50°C. I na tom je vidět, že koncentrační kolek- Graf 5.22 Porovnání naměřeného tepla dodaného tory pracují na odlišných tep- do AKU3 s vypočteným lotních úrovních než ploché koncentrační kolektory a proto je velice důležité solární systém navrhnout tak, aby se tyto odlišné kolektory vzájemně negativně neovlivňovaly například tím, že budou ohřívat stejnou akumulační nádrž. Q_SG_vypočtené

Q_SG_naměřené

Porovnání měřených a vypočtených energetických bilancí jednotlivých typů kolektorů je uspokojivé, ale pro přesnější výpočty energetických zisků z koncentračních střešních a fasádních kolektorů dynamického modelování je důležité doměřit charakteristiky definujících vlastnosti tohoto typu kolektoru. Z experimentů ve sledovaném období plynou důležité závěry, které je při projektování solárních systému s koncentračními kolektory mít na zřeteli: − naváděcí a regulační jednotka musí být sestavena tak, aby dokázala v každý okamžik v roce navést absorbéry do ohniska čoček, 95

− −

energetická výtěžnost systému je závislá na teplotě vody v nádrži. Při vyšších teplotách se energetická výtěžnost snižuje, při solárním systému kombinujícím ploché a koncentrační kolektory je důležité mít samostatnou akumulační nádrž pro každý typ kolektoru.

5.2.3 Simulace solárních soustav po úpravě vstupních parametrů jednotlivých kolektorů Verifikace simulací pro letní období v roce 2006 ukázala, že programový modul charakterizující skleník jako stavbu je sestaven a specifikován pomocí vstupních parametrů správně. Programové moduly charakterizující kolektorové systémy vykazují výsledky, které je možné pokládat za uspokojivé. Avšak získané údaje o charakteristických křivkách účinnosti a optických vlastnostech Fresnelovy čočky nám umožnilo zpřesnit vlastnosti prvků kolektorů, obsažených v simulačním modelu. Proto po zpřesnění vlastností kolektorů byla znovu provedena simulace solárních soustav. Schéma na Obr. 5.12 detailně popisuje skutečné zapojení solárních soustav ve skleníku. − Byly vytvořeny dva samostatné hydraulicky oddělené okruhy. První okruh obsahuje solární soustavy s koncentračními kolektory, zahrnující všechny tři okruhy SF1, SG2 a SG3. Druhý okruh tvoří solární soustava s vakuovými kolektory. − V rámci simulace energetických zisků kolektorů a průběhu teplot v jednotlivých solárních soustavách vstupovala do výpočtu vlastní budova skleníku tím, že skutečná teplota interiéru, načítaná z externího souboru naměřených dat byla brána jako teplota okolí absorbérů koncentračních kolektorů. − Každá solární soustava měla své vlastní oběhové čerpadlo řízené regulací. − Regulace porovnávala teplotu na výstupu z kolektoru s teplotou v akumulační nádobě a na základě rozdílu teplot spouštěla nebo vypínala oběhové čerpadlo. − Průtok jednotlivých čerpadel odpovídal naměřeným hodnotám. − Akumulační nádoby byly propojeny s chladiči, které udržovaly v nádržích v průběhu simulace požadovanou teplotu. Výkon chladících zařízení byl shodný s chladicím výkonem tepelného čerpadla. − Mezi jednotlivé komponenty systémů byly vloženy prvky potrubí, které umožňují výpočet tepelné ztráty potrubí. Tím se simulační schéma přiblížilo reálnému systému. Porovnání vypočtených teplot na vstupu a výstupu z jednotlivých koncentračních kolektorů s naměřenými jsou znázorněny na Grafu 5.23, Grafu 5.24 a Grafu 5.25. Je to porovnání teplot měřených resp. vypočtených na rozdělovači resp. sběrači a ne přímo před vstupem a za výstupem z kolektorů, protože na tomto místě jsou umístněná teplotní čidla ve skleníku. Z grafů je vidět, že křivky si vzájemně odpovídají až na polední maxima, kdy vypočítané teploty vykazují vyšší hodnoty i o 5 °C. Způsobeno je to tím, že prvek koncentrační kolektor vykazuje nižší ztráty na absorbéru oproti skutečnosti. Prvek charakterizující koncentrační kolektor je prvkem, který je sestaven pro ploché kolektory. Ploché kolektory mají absorbéry uložené ve vaně. Z vrchu jsou kryté sklem a ze spodu jsou absorbéry izolovány tepelnou izolací. Skutečné absorbéry koncentračních kolektorů z vrchní strany nejsou kryty ničím a ze spodní strany mají hliníkovou krytku vystlanou 3 mm izolací. Proto u těchto absorbérů dochází k větším tepelným ztrátám hlavně při vyšších teplotách. Porovnání teplot v AKU3, do které se akumulovala získaná energie z koncentračních kolektorů a která byla současně tepleným čerpadlem ochlazována na požadovanou teplotu, je zobrazeno na Grafu 5.26. 96

Potvrzení správného sestavení matematického modelu je vidět i na Grafu 5.27a, b, c, který porovnává skutečný časový průběh průtoků vody v jednotlivých koncentračních kolektorech s průběhem vody určeným regulací v matematickém modelu.

Obr. 5.12 Propojovací schéma vytvořené pro výpočet energetických zisků z jednotlivých typů kolektorů

55 50

korelační koeficient rinSG routSG3

15.VII 0,86 0,94

16.VII 0,96 0,94

date 17.VII 0,92 0,92

18.VII 0,93 0,93

19.VII 0,91 0,93

45

t [°C]

40 35 30 25 20 15 15.VII.07

16.VII.07

17.VII.07

18.VII.07

19.VII.07

datum

t_out_SG3_TRNSYS t_in_SG_REAL

t_out_SG3REAL t_in_SG_TRNSYS

Graf 5.23 Porovnání vypočtených a naměřených vstupních a výstupních teplot na koncentračním kolektoru G3

97

20.VII.07

55 50

korelační koeficient rinSG routSG2

15.VII 0,86 0,91

16.VII 0,96 0,94

date 17.VII 0,92 0,92

18.VII 0,93 0,93

19.VII 0,91 0,92

45

t [°C]

40 35 30 25 20 15 15.VII.07

16.VII.07

17.VII.07

18.VII.07

19.VII.07

20.VII.07

datum

t_out_SG2_TRNSYS t_in_SG_REAL

t_out_SG2_REAL t_in_SG_TRNSYS

Graf 5.24 Porovnání vypočtených a naměřených vstupních a výstupních teplot na koncentračním kolektoru SG2

55 50

korelační koeficient rinSG routSF1

15.VII

16.VII

date 17.VII

18.VII

19.VII

0,86 0,94

0,96 0,98

0,92 0,95

0,93 0,81

0,91 0,85

45

t [°C]

40 35 30 25 20 15 15.VII.07

16.VII.07

17.VII.07

18.VII.07

19.VII.07

datum

t_out_SF1_TRNSYS t_in_SG_REAL

t_out_SF1_REAL t_in_SG_TRNSYS

Graf 5.25 Porovnání vypočtených a naměřených vstupních a výstupních teplot na koncentračním kolektoru SF1

98

20.VII.07

45 40 35

t [°C]

30 25 20

korelační koeficient rtopAKU3 rbottomAKU3

15 10 15.VII.07

16.VII.07

17.VII.07

15.VII 0,98 0,98

16.VII 0,98 0,99

18.VII.07

date 17.VII 0,99 0,99

18.VII 0,97 0,99

19.VII 0,99 0,96

19.VII.07

20.VII.07

datum

t_AKU3_top_REAL

t_AKU3_bottom_REAL

t_AKU3_top _TRNSYS

t_AKU3_bottom_TRNSYS

Graf 5.26 Porovnání vypočtených a naměřených teplot v AKU3 400

a

m l/h

300

200

100

0 14-VII.

15-VII.

16-VII.

17-VII.

18-VII.

19-VII.

20-VII.

21-VII.

22-VII.

23-VII.

24-VII.

25-VII.

26-VII.

27-VII.

datum

500

b

400

m l/h

300

200

100

0 14-VII.

15-VII.

16-VII.

17-VII.

18-VII.

19-VII.

20-VII.

21-VII.

22-VII.

23-VII.

24-VII.

25-VII.

26-VII.

27-VII.

datum

400

c

m l/h

300

200

100

Graf 5.27 Porovnání chodu čerpadel v okruhu koncentračních kolektorů SG3, SG2 a SF1 ve skutečném a simulovaném systému

0 14-VII.

15-VII.

16-VII.

17-VII.

18-VII.

19-VII.

20-VII.

21-VII.

22-VII.

23-VII.

datum

m_SG1_REAL

99

m_SG1_TRNSYS

24-VII.

25-VII.

26-VII.

27-VII.

Výsledky porovnávající naměřené a vypočtené teploty na vstupu a výstupu z plochých vakuových kolektorů jsou znázorněny na Grafu 5.28. Teplotní čidla v tomto okruhu jsou umístněné za výměníkem tepla na sekundárním okruhu tj. na okruhu AKU1 – výměník, proto se i v matematickém modelu sledovaly teploty za výměníkem. Porovnání teplot v AKU1 je znázorněné na Grafu 5.29. Z obou grafů je vidět, že vypočítané teploty na výstupu z kolektorů i teploty v akumulační nádrži se shodují se skutečně naměřeními teplotami. Shodu mezi naměřenými a vypočtenými hodnotami podtrhuje také Graf 5.30, na kterém se porovnává reálný chod oběhového čerpadla v solárním systému s chodem čerpadla v matematickém modelu. Chod čerpadla v matematickém modelu nebyl načítán z externího souboru, ale byl regulován regulačním prvkem přímo v modelu. koelační koeficient routHELIOSTAR

80

15.7 0,85

16.7 0,87

17.7 0,88

18.7 0,89

19.7 0,94

date 20.7 21.7 0,90 0,56

22.7 0,83

23.7 0,97

24.7 0,48

25.7 0,89

26.7 0,89

70

t [°C]

60

50

40

30

20 15.VII.07 16.VII.07 17.VII.07 18.VII.07 19.VII.07 20.VII.07 21.VII.07 22.VII.07 23.VII.07 24.VII.07 25.VII.07 26.VII.07 27.VII.07 DATUM t_out_Heliostar_TRNSYS

t_out_Hel_REAL

t_in_Hel_REAL/TRNSYS

Graf 5.28 Porovnání vypočtených a naměřených vstupních a výstupních teplot na plochých vakuových kolektorech NÁDRŽI č.1 80

korelační koeficient rbottomAKU1 rtopAKU1

15.VII 0,85 0,96

16.VII 0,83 0,94

17.VII 0,90 0,99

18.VII 0,93 0,99

19.VII 0,97 0,99

date 20.VII 21.VII 0,95 0,89 0,58 0,79

22.VII 0,96 0,96

23.VII 0,98 0,95

24.VII 0,85 0,98

25.VII 0,91 0,92

26.VII -0,72 -0,49

70

t [°C]

60

50

40

30

20 15.VII.07 16.VII.07 17.VII.07 18.VII.07 19.VII.07 20.VII.07 21.VII.07 22.VII.07 23.VII.07 24.VII.07 25.VII.07 26.VII.07 27.VII.07 DATUM t_AKU1_top_TRNSYS

t_AKU1_top_REAL

t_AKU1_bottom_TRNSYS

Graf 5.29 Porovnání vypočtených a naměřených teplot v AKU1

100

t_AKU1_bottom_REAL

m [l/h]

Zhodnocení 700 Výstupy simulací jednotli600 vých kolektorových okruhů, které jsou prezento500 vány porovnáním naměře400 ných a vypočtených vstup300 ních a výstupních teplot na jednotlivých koncentrač200 ních a plochých vakuových 100 kolektorech a porovnáním 0 teploty v spodní a vrchní 14-VII. 15-VII. 16-VII. 17-VII. 18-VII. 19-VII. 20-VII. 21-VII. 22-VII. 23-VII. 24-VII. 25-VII. 26-VII. 27-VII. části akumulačních nádrží m_Heliostar_REAL m_Heliostar_TRNSYS AKU3 a AKU1 vykazují velkou míru shody. Tato Graf 5.30 Porovnání skutečného a vypočteného chodu shoda je číselně vyjádřená oběhového čerpadla pro ploché vakuové kolektory korelačním koeficientem, který je umístněn v jednotlivých grafech. Shodu simulačních výstupů s reálnými výsledky podtrhují grafy zobrazující průběh průtoků teplonosné kapaliny v kolektorech. datum

5.2.4 Měření a simulace energetických bilancí skleníku v přechodovém období Výhody koncepčního řešení modulového skleníku se projevují nejen v letním období, kdy se prostory skleníku nepřehřívají, ale také v přechodném ročním období na podzim a na jaře, kdy u většiny objektů začíná, resp. ještě trvá topná sezóna, protože venkovní teplota vzduchu dlouhodobě klesá pod 15°C. Význam absorpčních a akumulačních vlastností skleníku, realizovaných velkými prosklenými plochami skleníku a hmotnými obvodovými zdmi skleníku se projevuje snížením spotřeby dodatkové energie na udržení požadované vnitřní teploty. Tím se snižují celkové náklady na vytápění objektu. Pro sledování tohoto děje byl zvolen vhodný časový interval, ve kterém se při obdobných venkovních teplotách podmínky lišily především slunečním svitem, kdy dny jasné střídají dny s velkou oblačností od 15.10 do 24.10 2007. V průběhu tohoto časového úseku se vystřídalo sluneční počasí s relativně vysokými teplotami v průběhu dne s nízkými v průběhu noci (od 14.10. do 17.10.), pak následovalo polooblačné počasí, kdy se střídala jasná obloha se zamračenou a teploty vzduchu začaly pozvolna klesat (od 18.10. do 21.10.) a poslední tři dny bylo zamračené počasí s relativně ustálenou ale nízkou teplotou vzduchu. Průběh radiace, exteriérové teploty vzduchu a průměrné teploty vzduchu ve skleníku v celém krátkodobě sledovaném úseku je znázorněn na Grafu 5.31. Na tomto časovém úseku byla sledována energetická bilance celého skleníku i jednotlivých typů slunečných kolektorů a také teplota v interiéru. Matematický model pro výpočet energetických zisků ze slunečných kolektorů byl spojen s modelem, popisujícím energetické toky ve skleníku. Spojením těchto dvou schémat byl sestaven celkový matematický model systému skleníku, detailně popisující energetické toky v objektu i v jeho technických zařízeních, které se vzájemně ovlivňují (Obr. 5.13).

101

30

1000

25

800

20

600

15

400

10

200

5

0 14.X

15.X

16.X

17.X

18.X

19.X

20.X

21.X

22.X

23.X

24.X

t [°C]

I [W/m2]

1200

0 25.X

datum Radiace_střecha

t_exteriér

t_interiér_Průměr

Graf 5.31 Průběh teplot (vnitřní i venkovní) a dopadající sluneční radiace ve sledovaném období

Obr. 5.13 Konečné propojovací schéma vytvořené pro detailní výpočet energetických bilancí skleníku a jednotlivých typů kolektorů.

102

Skleník byl v období od 14.10 do 19.10 vytápěn na 18 °C a od 20.10 do 24.10 na 16 °C s teplotní hysterezí 1 K. Vrchní větrací okna byla otevírána při 26 °C a zavírána při poklesu teploty o 2 °C. Ve sledovaném časovém úseku sloužily jako zdroj tepla pro vytápění skleníku akumulační nádrže AKU1 a AKU3. Z které nádrže se teplo odebíralo, určovala regulace skleníku. Teplota vody v AKU1 byla tepelným čerpadlem udržovaná od 14.10 do 19.10 na minimální teplotě 30 °C a od 20.10 do 24.10 na minimální teplotě 33 °C. Teplo, získané z plochých vakuových kolektorů bylo odváděno do AKU1 a z koncentračních kolektorů do AKU3. Základní regulační parametry byly také použity v matematickém modelu. V matematickém modelu nebylo sestaveno schéma regulace, které určovalo, ze které nádrže je odebíráno teplo do vzduchotechnické jednotky. Tyto hodnoty byly načítány z externího souboru podle skutečnosti, jak bylo na skleníku zaznamenáno. Tepelné ztráty akumulačních nádrží a tepelné ztráty na rozvodech potrubí k jednotlivým kolektorům byly počítány jako tepelné zisky skleníku. Nevyužitá dopadající energie na plochu absorbérů koncentračních kolektorů byla také započítávána k energetickým ziskům skleníku. 5.2.4.1 Výsledky experimentálního měření V první fázi byly sledovány průběhy teplot v interiéru a v jednotlivých stavebních konstrukcích, které se lišily různě barevným povrchem a byly sledovány časové posuny mezi maximem teplot v konstrukcích, interiéru a exteriéru. Z těchto hodnot byl určen vliv akumulačních hmot a jejich optických vlastností (barevnost) na teplotu v interiéru. Teplotní čidla byla umístěna ve všech barevných stěnách v hloubce 10 mm, 60 mm a 120 mm, teplota vzduchu v interiéru byla měřena v několika výškách teplotními čidly, chráněnými proti slunečnímu ozáření. Vliv akumulačních stěn je ukázán na krátkém časovém úseku (15.10. a 16.10.), kdy venkovní teploty nepřesáhly 15 °C a noční klesly téměř na 0 °C. Na Grafu 5.32 je znázorněn průběh několika měřených teplot a průběh intenzity slunečního záření. Křivka venkovní teploty ukazuje velký rozdíl mezi noční teplotou, která byla kolem 1°C a denní teplotou dosahující i 15°C. Dále jsou v grafu zobrazeny důležité průběhy teplot v různých hloubkách zdi a vnitřní teplota vzduchu. Na grafu je názorně vidět, že ve chvíli kdy teplota interiéru klesne pod teplotu stěny v hloubce 10 mm (tedy přibližně povrchová teplota) dojde ke zlomu v poklesu vnitřní teploty a ta již klesá mnohem pomaleji. Dochází k zpětnému toku tepla z akumulačních hmot zpět do vzduchu v interiéru skleníku a tím ke snížení potřeby tepla na jeho vytápění. Sepnutí VZT je podstatně oddáleno. Na Grafu 5.32 je tučnou křivkou znázorněn předpokládaný průběh poklesu vnitřní teploty tak, jak by k němu došlo bez vlivu akumulačních hmot zdí. Teplota interiéru byla v tomto časovém úseku udržována na minimální hodnotě 18°C s 1°C teplotní hysterezí. Díky zpomalení poklesu vnitřní teploty se oddálilo sepnutí vzduchotechnické jednotky o cca 2.5 hodiny. V druhé fázi byly sledovány energetické bilance jednotlivých zdrojů tepla a následně vyhodnocena dodaná tepelná energie na vytápění skleníku a podíl jednotlivých zdrojů tepla na celkovém dodaném teple. Výsledky jsou zobrazeny v Tabulce 5.10, Grafu 5.33 a Grafu 5.34. V Tabulce 5.10 kromě zobrazení denních sum získané energie z jednotlivých zdrojů tepla a spotřebované energie vzduchotechnickou jednotkou, zobrazuje průměrné denní venkovní a vnitřní teploty vzduchu a také denní sumy sluneční radiace, která dopadala na 1 m2 plochy střechy. V průběhu slunečných dní se venkovní teplota pohybovala kolem 9 °C a interiérová teplota kolem 21 °C, což je o 3 °C víc než v té době požadovaná (18°C) a regulací udržovaná teplota. V průběhu zamračeného počasí se venkovní teplota snížila na hodnotu cca 4°C a interiérová teplota klesla na hodnotu 16°C, což odpovídalo nejnižší požadované a vzduchotechnickou jednotkou udržované teplotě vzduchu. Intenzita slunečního záření je 103

v průběhu prvních čtyř dní vysoká, v následujících dnech rapidně klesá. Z tabulky je vidět jak tyto hodnoty ovlivňují energetické zisky ze slunečních kolektorů a potřebné energetické výdaje na vytápění skleníku. V průběhu slunečních dní si díky aktivním i pasivním systémům dokáže skleník udržet požadovanou interiérovou teplotu, bez nutnosti využití externích zdrojů tepla (tepelné čerpadlo). Teplo dodané vzduchotechnickou jednotkou na vytápění skleníku je poloviční oproti získanému ze slunečních kolektorů. V Grafu 5.33 se porovnává celkové množství získaného tepla z jednotlivých zdrojů tepla (ploché vakuové kolektory, koncentrační kolektory, tepelné čerpadlo) s teplem spotřebovaným na vytápění skleníku pro jednotlivé dny. Graf 5.34 zobrazuje procentuální podíl jednotlivých zdrojů tepla na celkovém množství dodaného tepla za sledované období v jednotlivých dnech.

Oddálení startu VZT jednotky

Předpokládaný průběh vnitřní teploty

Graf 5.32 Průběh ozáření a teplot ve sledovaném období, předpokládaný průběh bez akumulace tepla do stěn Tabulka 5.10 Vyhodnocení sledovaného období texteriér_průměr tinteriér_průměr I střecha DATUM °C °C kWh/m2 4.6 20.2 5.8 14.10 20.6 6.0 6.9 15.10 8.7 21.1 5.7 16.10 9.7 21.3 5.2 17.10 9.5 19.8 2.4 18.10 4.3 18.6 2.1 19.10 3.7 17.2 1.2 20.10 17.2 1.7 4.0 21.10 3.2 16.4 0.7 22.10 3.6 15.9 0.3 23.10 5.3 15.9 0.4 24.10 Průměr/Suma 5.8 18.6 31.5

104

SG + SF Heliostar kWh kWh 23 20 23 21 20 20 16 17 1 3 2 4 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 85

88

TČ kWh 27 3 0 0 0 45 66 61 81 77 72

VZT kWh 27 23 21 20 6 38 48 46 62 63 58

433

412

POROVNÁNÍ MNOŽSTVÍ TEPLA DODANÉHO Z JEDNOTLIVÝCH ZDOJŮ A SPOTŘEBOVANÉHO VZT 90 80 70

62

63 58

60 Q [kWh]

48 50

46

38 40 27

30

23

21

20

20 6

10 0 14-X.

15-X.

16-X.

17-X.

18-X.

19-X.

20-X.

21-X.

22-X.

23-X.

24-X.

den

Tepelné čerpadlo

Heliostary

Koncentrační kolektory

VZT_dodané teplo

Graf 5.33 Denní energetická bilance jednotlivých zdrojů tepla [kWh]

PODÍL JEDNOTLIVÝCH ZDOJŮ TEPLA NA DENNÍ DODÁVCE TEPLA DO AKUMULAČNÍCH NÁDRŽÍ 100% 90% 80% 70%

Q [kWh]

60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 14-X.

15-X.

16-X.

17-X.

18-X.

19-X.

20-X.

21-X.

22-X.

23-X.

den

Tepelné čerpadlo

Heliostary

Koncentrační kolektory

Graf 5.34 Denní podíl jednotlivých zdrojů tepla na energetické bilanci [%]

105

24-X.

5.2.4.2 Výsledky porovnávající měřená a vypočtená data Vyhodnocení tohoto měření ve skleníku v daném časového úseku umožnilo porovnat tyto výsledky s výsledky, které byly pro stejný časový úsek získány matematickou simulací. Verifikace těchto výsledků je velice důležitá pro zhodnocení nakolik sestavené matematické modely dokáží předikovat reálné chování objektu při těchto podmínkách. Zajímalo nás hlavně porovnání teploty vzduchu ve skleníku, která nepřímo ukazuje vliv pasivních prvků skleníku na vnitřní klima a energetických bilancí jednotlivých tepelně technických systémů. V Tabulce 5.11 jsou porovnány denní průměrné teploty ve věžové (sekce1) a střešní (sekce2) části skleníku. Maximální rozdíl mezi naměřenou a vypočtenou teplotu je 1.4 °C. Tato shoda je dobře patrná i z Grafu 5.35, který porovnává průběh naměřených a vypočtených teplot v interiéru. Tento graf také porovnává naměřenou a vypočtenou energií spotřebovanou vzduchotechnickou jednotkou a energií dodanou tepelným čerpadlem. Spotřeba energie v prvních dnech, kdy svítilo slunce, je nižší než skutečná. V čase, kdy obloha byla zatažená, je spotřeba energie velice podobná. Neshoda je způsobená pozdějším zapínáním vzduchotechnické jednotky v matematickém modelu oproti skutečnosti, viz Graf 5.36. Pozdější sepnutí vzduchotechnické jednotky v matematickém modelu způsobuje pomalejší pokles teploty v interiéru pod teplotu 17 °C. Naměřená dodaná energie tepelným čerpadlem je vyšší než vypočtená matematickým modelem. Způsobené to je hlavně dvěma dny 14.10 a 19. 10. Je to způsobeno nižším počtem sepnutí tepelného čerpadla v tyto dny, jak je vidět na Grafu 5.36. Na tomto grafu je také zobrazeno porovnání průběhu teplot v akumulační nádrži AKU1. Tato nádrž byla hlavním zdrojem tepla pro vytápění skleníku, dále byla dotápěná plochými vakuovými kolektory a tepelným čerpadlem. Z grafu je vidět, že i když teplotu vody v nádrži ovlivňovaly tři nezávislé zdroje tepla, tak vypočítaná teplota kopíruje naměřený průběh teploty vody v nádrži. V Tabulce 5.13 jsou porovnány denní sumy energetických zisků z jednotlivých typů kolektorů. Porovnání naměřených a vypočtených denních sum i celkového součtu energetických zisků z jednotlivých typů kolektorů za sledované období nevykazují žádné extrémní odchylky. Tabulka 5.11 Porovnání naměřených a vypočtených průměrných teplot ve skleníku

Průměrná teplota v: DATE 14.10 15.10 16.10 17.10 18.10 19.10 20.10 21.10 22.10 23.10 24.10 Suma/ odchylka

REAL °C 20,1 20,5 21,0 21,2 19,7 18,5 17,2 17,2 16,3 15,9 15,9 18,5

sekce1 TRNSYS směrodatná odchylka °C 20,4 0,07 21,0 0,07 21,7 0,05 21,9 0,05 20,4 0,06 18,9 0,07 17,8 0,02 17,9 0,04 16,5 0,02 15,3 0,01 15,1 0,02 18,8

0,04

106

REAL °C 20,3 20,7 21,2 21,4 20,0 18,6 17,2 17,3 16,4 15,9 16,0 18,6

sekce2 TRNSYS směrodatná odchylka °C 20,3 0,06 21,0 0,06 21,8 0,05 21,9 0,05 20,2 0,05 18,9 0,06 17,6 0,02 17,7 0,04 16,4 0,02 15,3 0,01 15,0 0,02 18,7

0,04

Tabulka 5.12 Porovnání naměřené a vypočtené dodané energie vzduchotechnickou jednotkou a tepelným čerpadlem

DATE 14.10 15.10 16.10 17.10 18.10 19.10 20.10 21.10 22.10 23.10 24.10 Suma / průměr

Dodaná energie z: Vzduchotechnická jednotka Tepelné čerpadlo rozdíl rozdíl REAL TRNSYS REAL TRNSYS % % kWh kWh kWh kWh 27 24 27 14 10 50 23 24 3 0 7 x 21 23 0 0 8 x 20 23 0 0 13 x 6 15 0 0 160 x 38 37 45 14 3 35 48 50 66 60 4 12 46 47 61 58 3 9 62 66 81 75 6 11 63 70 77 81 12 1 58 70 72 77 21 7 412

450

9

30

korelační koeficient rt_sekce1 rt_sekce2

433

14.10 0,91 0,93

15.10 0,94 0,95

380

16.10 0,96 0,96

17.10 0,95 0,95

18.10 0,88 0,89

date 19.10 0,83 0,91

20.10 0,95 0,93

11

21.10 0,85 0,92

22.10 0,91 0,94

16000 24.10

23.10 0,95 0,94

0,63 0,55

26 22

12000

14

8000

10 6

4000

2 -2 14.X.07

15.X.07

16.X.07

17.X.07

18.X.07

19.X.07

20.X.07

21.X.07

22.X.07

23.X.07

24.X.07

0 25.X.07

datum

t_interior_SEKCE2 t_sekce1_TRNSYS Q_VZT_TRNSYS

t_sekce2_TRNSYS t_exteriér

t_interior_SEKCE1 Q_VZT_REAL

Graf 5.35 Porovnání vypočtených a naměřených teplot v interiéru skleníku a chodu VZT jednotky

107

Q [W]

t [°C]

18

Tabulka 5.13 Porovnání naměřených a vypočtených denních energetických zisků z jednotlivých typů kolektorů ENERGETICKÉ ZISKY Z KOLEKTORŮ SF1

SG2

Celkem z koncentračních kolektorů TRN- RozREAL díl SYS

SG3

DATE REAL

TRNSYS

REAL

TRNSYS

REAL

TRNSYS

kWh

kWh

kWh

kWh

kWh

kWh

kWh

kWh

Ploché vakuové kolektory

%

REAL

TRNSYS

Rozdíl

kWh

kWh

%

14.10

3,6

3,4

8,2

7,9

10,8

10,1

22,6

21,5

5

20,1

22,6

12

15.10

3,7

3,5

8,5

8,5

11,0

10,6

23,2

22,6

2

21,4

25,0

17

16.10

3,2

1,9

7,3

6,7

9,8

9,1

20,3

17,8

12

20,4

23,7

16

17.10

2,2

1,0

5,7

5,9

8,0

7,7

15,9

14,6

8

17,4

18,9

9

18.10

0

0,3

0,5

1,2

0,8

1,4

1,3

2,9

121

3,4

2,9

13

19.10

0,5

0,7

0,0

2,0

1,3

2,0

1,8

4,7

161

4,2

4,5

8

20.10

0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

x

0,0

0,0

x

21.10

0

0,0

0,0

0,5

0,0

0,5

0,0

1,0

x

1,2

0,0

x

22.10

0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

x

0,0

0,0

x

23.10

0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

x

0,0

0,0

x

24.10

0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

0,0

x

0,0

0,0

x

13,2

10,9

30,2

32,8

41,7

41,4

85,1

85,0

88,1

97,7

Celkem/ průměr

45

korelační koeficient rt_AKU1_top rt_AKU1_bottom

14.10 0,98 0,98

15.10 0,98 0,99

16.10 0,97 0,98

17.10 0,95 0,99

18.10 0,07 -0,42

date 19.10 0,83 0,60

0

20.10 -0,05 0,16

21.10 0,16 0,12

22.10 -0,05 0,18

23.10 0,00 0,04

11

11 24.10 0,06 10 0,06 9

40

8

t [°C]

6 35

5 4 3

30

2 1 0

25 14.X.07

15.X.07

16.X.07

17.X.07

18.X.07

19.X.07

20.X.07

21.X.07

22.X.07

23.X.07

24.X.07

-1 25.X.07

datum

t_AKU1_top_REAL t_AKU1_bottom_TRNSYS

t_AKU1_bottom_REAL reg_TC_REAL

t_AKU1_top_TRNSYS reg_TC_TRNSYS

Graf 5.36 Porovnání vypočtených a naměřených teplot v AKU1 a porovnání vypočteného a skutečného chodu TČ

108

regulace TČ

7

5.2.5 Vyhodnocení ročních energetických bilancí skleníku První matematická simulace skleníku proběhla ještě v čase projekčních příprav. Tato simulace byla zaměřena hlavně na stanovení ročních energetických bilancí solárních soustav a energetických potřeb skleníku pro předem stanovený teplotní režim s databází referenčních meteorologických dat stanovených pro Prahu (Test Reference Year). Systém měření a regulace ve skleníku dlouhodobě kontinuálně monitoruje všechny důležité hodnoty a tak je možné sestavit skutečné roční energetické bilance celého skleníku i jednotlivých energetických systémů. Vyhodnocení těchto ročních bilancí bylo důležité pro zpětné porovnání energetických potřeb skleníku předpokládaných stanovených matematickou simulací se skutečně naměřenými. Roční energetické bilance byly stanoveny pro rok 2007. Z první simulace jsme měli výsledky stanovující roční energetické potřeby na vytápění a chlazení skleníku a předpokládané roční energetické zisky ze solárních systémů. V Tabulce 5.14 znázorňuje měsíční a roční sumy naměřených a výpočtem předpokládaných energetických výdajů na vytápění skleníku. Chlazení skleníku se při provozu neuskutečňovalo, proto ani není možné tyto hodnoty vzájemně porovnávat. Skutečné energetické potřeby spojené s vytápěním skleníku jsou pro rok 2007 13.07 MWh. Vypočtené a předpokládané energetické potřeby skleníku jsou však 37.05 MWh. Naměřená spotřeba na vytápění skleníku je tak o 65% nižší, než se původně výpočtem stanovilo a předpokládalo. Tento rozdíl je obrovský a při povrchním pohledu na tyto výsledky by bylo možné konstatovat, že matematická simulace prováděná při projektových pracích byla špatná a nedokázala ani přibližně odhadnout energetické potřeby skleníku. Bližší analýza okrajových podmínek, které ovlivňují energetickou náročnost stavby, však ukazuje na několik důležitých faktorů, které měly hlavní podíl na tom, že vypočtené a naměřené hodnoty vykazovaly takovou velikou odchylku. Tyto faktory jsou přehledně znázorněny v Tabulce 5.15. Prvním faktorem, který je důležité porovnat, je požadovaná interiérová teplota. Jak bylo uvedeno při popisu podmínek první simulace (kapitola 5.2.1), ve skleníku byl stanoven určitý teplotní a vlhkostní režim. Tento režim byl samozřejmě součástí výpočetního matematického modelu. Z Tabulky 5.15 je vidět, že interiérové teploty skleníku nastavené v matematickém modelu jsou pro jednotlivé měsíce značně odlišné od reálných, nezbytných pro pěstební experiment a rozdíl mezi těmito teplotami a skutečně požadovanými ve sledovaném roce 2007 je průměrně o 5.4°C vyšší. Teplotní rozdíl se pohybuje od 2°C až do 11.7°C. Další důležitý faktor ovlivňující tepelné ztráty objektu je venkovní teplota vzduchu. V matematickém modelu byl použit TRY pro Prahu. TRY je databáze meteorologických dat s hodinovým intervalem. Je sestaven zprůměrováním měřených meteorologických dat z několikaletého časového období. Rok 2007 byl rokem, který byl především v prvním pololetí nadprůměrně teplý. Jak je z tabulky vidět, leden byl o 4.4°C teplejší, únor dokonce o 6.9 °C teplejší, duben o 3.6°C teplejší, květen o 3.0°C teplejší, červen o 5.2°C teplejší oproti průměrným venkovním teplotám, které jsou zaznamenány v TRY. Posledním faktorem, který je dobré zmínit je intenzita slunečního záření. Z výše popsaného experimentu zaměřeného na energetické bilance skleníku v přechodném období je vidět, jak je sluneční radiace důležitou součástí snižování energetických potřeb skleníku. Rok 2007 byl i ohledně celkové intenzity dopadající sluneční radiace nadprůměrným. Celková změřená suma globální radiace dopadlá na horizontální plochu 1 m2 je 1180 kWh. Suma globální radiace v TRY je však 1007 kWh. Dopadlá radiace na horizontální rovinu pro rok 2007 je tak o 17% vyšší oproti průměrným hodnotám.

109

Tabulka 5.14 Porovnání měřených a předpokládaných energetických potřeb na vytápění skleníku

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

Měřené

XI

XII

Σ

I

1.84

1.89

2.26

0.60

0.19

0.01

0.00

0.04

0.25

0.82

3.03 2.14 13.07

Předpokládané

Q [MWh]

MĚSÍC

4.30

3.82

5.13

3.75

2.23

1.72

1.33

1.64

3.09

2.29

3.13 4.63 37.05

Tabulka 5.15 Porovnání vstupních okrajových podmínek, které ovlivňují energetickou náročnost stavby tinteriér tinteriér texteriér texteriér Iradiace Iradiace ∆tinteriér ∆texteriér ∆Iradiace TRY REAL TRY REAL TRY REAL Měsíc °C I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Σ

15 15 25 25 25 25 25 25 25 19 15 15 x

°C 12.7 13.0 17.8 20.0 17.5 x x x 13.3 12.7 13.0 10.3 x

°C -2.3 -2.0 -7.2 -5.0 -7.5 x x x -11.7 -6.3 -2.0 -4.7 x

°C

°C -0.4 -2.8 4.5 8.4 12.9 15.3 17.1 18.1 13.2 9.5 5.0 -0.7 x

°C 4.0 4.0 5.6 12.1 15.9 20.5 20.4 19.0 12.6 8.5 2.2 0.0 x

kWh 4.4 6.9 1.1 3.6 3.0 5.2 3.3 0.9 -0.6 -1.0 -2.8 0.7 x

kWh 22 39 73 103 147 146 156 138 80 60 25 17 1007

26 44 88 165 165 184 173 147 90 58 23 19 1180

kWh 3.1 4.6 14.6 62.1 18.4 38.1 16.5 8.7 9.3 -2.7 -1.4 2.1 173.5

TRY – data používaná při první simulaci REAL – reálné data změřené na skleníku Také porovnání energetických zisků ze slunečních kolektorů, které jsou znázorněny v Tabulce 5.16, vykazuje značné odchylky a není možné konstatovat, že by se vypočtené hodnoty shodovaly s naměřenými. Vypočtené zisky z koncentračních kolektorů jsou na úrovni 60% energetických zisků, které byly reálně z těchto kolektorů získány. Naproti tomu předpokládané tepelné zisky z plochých vakuových kolektorů jsou o 50% vyšší oproti skutečně změřeným v průběhu roku 2007. I zde existuje vysvětlení těchto rozdílů. Matematický model prvotní simulace obsahoval jenom jednou 10m3 akumulační nádrž. Do této nádrže bylo akumulováno teplo jak z plochých tak koncentračních kolektorů. Prvním důvodem je režim využívání získané tepelné energie. Při prvotní simulaci se odběr teplé vody z akumulačních nádrží, které byly ohřívány kolektory, stanovil v určitém režimu. Odběr teplé vody z nádrží je velice důležitý pro to, aby se teplota vody v nádrži snižovala a tak byl prostor pro akumulaci získané energie z kolektorů. Čím je vyšší teplota vody v akumulační nádrži, tím je účinnost kolektorů nižší a tím pádem je i nižší množství 110

získaného tepla. S ohledem na tento fakt je možné zkonstatovat, že režim odebírání teplé vody byl pro koncentrační kolektory nedostatečný hlavně v letním období a pro ploché vakuové kolektory zase až příliš intenzivní hlavně v jarním, podzimním a zimním období. Snížené výkony koncentračních kolektorů v letním období jsou způsobeny také regulací teploty interiéru skleníku. Absorbéry koncentračních kolektorů jsou umístněné v interiéru skleníku, takže teplota interiéru přímo ovlivňuje jejich tepelné ztráty. Tím, že při prvotní simulaci byla regulována minimální i maximální teplota interiéru kdežto ve skutečnosti se maximální teplota skleníku neregulovala, docházelo v letním období na absorbérech koncentračních kolektorů při výpočtu k vyšším tepelným ztrátám oproti skutečným. Tabulka 5.16 Porovnání měřených a předpokládaných energetických potřeb na vytápění skleníku Q [kWh] Koncentrační kolektory Ploché vakuové kolektory REAL PŘEDPOKLAD REAL PŘEDPOKLAD 70 37 244 0 I 93 94 192 386 II 125 365 562 167 III 138 648 543 357 IV 220 121 465 600 V 263 94 483 484 VI 481 130 666 581 VII 240 164 453 635 VIII 195 123 270 586 IX 182 141 212 593 X 27 68 98 292 XI 4 48 13 245 XII 2228 1314 3901 5753 Σ

S ohlédnutím se na tyto vyjmenované faktory, je možné konstatovat, že dělat závěry z porovnání naměřených a vypočítaných hodnot s takto odlišnými vstupními podmínkami je nesprávné a zavádějící. Z tohoto důvodu se roční energetické bilance skleníku simulovali znovu. Při simulaci byl použit matematický model sestaveným pro výpočet energetických bilancí počítaných pro přechodné období od 14.10. 2007 do 22.10.2007. Tento model jednak detailněji a přesněji popisoval skutečné provedení skleníku a také se v něm použila skutečně naměřená meteorologická data. Také teplota interiéru se již regulovala podle skutečně nastavených požadovaných teplot ve skleníku a chlazení interiéru skleníku bylo již vypnuto. Schéma propojení koncentračních a vakuových kolektorů také odpovídalo skutečnosti, takže se už teplo z kolektorů akumulovalo do samostatných nádrží. Na výsledné sumarizační Tabulce 5.17, Grafu 5.37, Grafu 5.38 a Grafu 5.39 je vidět, že úpravou vstupních podmínek a detailnějším matematickým modelem jsme získali výstupní hodnoty, které odpovídají skutečně naměřeným hodnotám.

111

Tabulka 5.17 Porovnání reálných a vypočtených měsíčních energetických bilancí jednotlivých zdrojů tepla Q [kWh] QTC QTC REAL TRNSYS 2027 2666 1292 1357 1476 1418 314 8 5 0 0 0 0 0 0 0 99 143 753 469 2689 2702 2514 2435 11170 11197

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Σ

QVZT QVZT REAL TRNSYS 1843 1836 1894 1580 2256 2279 599 845 190 167 8 0 1 0 42 0 252 125 817 1217 3026 2769 2141 2775 13069 13594

QSG QSG QHeliostar QHeliostar REAL TRNSYS REAL TRNSYS 0 0 37 0 93 29 192 0 167 325 365 262 357 648 648 702 220 414 465 575 263 323 483 537 481 242 666 485 240 148 453 429 195 43 270 184 182 32 212 71 27 1 98 0 4 0 13 0 2228 2207 3901 3245

3500 3000

kW h

2500 2000 1500 1000 500 0

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

1843

1894

2256

599

190

8

1

42

QVZT TRNSYS 1836

1580

2279

845

167

0

0

0

QVZT REAL

X

XI

XII

252

817

3026

2141

125

1217

2769

2775

měsíc QVZT REAL

QVZT TRNSYS

Graf 5.37 Porovnání reálných a vypočtených měsíčních dodávek tepla VZT na vytápění skleníku

112

700 600

kW h

500 400 300 200 100 0

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

QSG REAL

0

93

167

357

220

263

481

240

195

182

27

4

QSG TRNSYS

0

29

325

648

414

323

242

148

43

32

1

0

měsíc QSG REAL

QSG TRNSYS

Graf 5.38 Porovnání reálných a vypočtených měsíčních energetických zisků z koncentračních kolektorů

800 700 600

kWh

500 400 300 200 100 0

I

II

III

IV

V

VI

VII

VIII

IX

X

XI

XII

QHeliostar REAL

37

192

365

648

465

483

666

453

270

212

98

13

QHeliostar TRNSYS

0

0

262

702

575

537

485

429

184

71

0

0

měsíc QHeliostar REAL

QHeliostar TRNSYS

Graf 5.39 Porovnání reálných a vypočtených měsíčních energetických zisků z plochých vakuových kolektorů

5.2.6 Porovnání energetických bilancí skleníku v rozdílných klimatických podmínkách Poslední simulace energetických bilancí skleníku měly porovnat vlastnosti experimentálního skleníku v různých klimatických podmínkách. Výsledky těchto výpočtů měly ukázat, že umístnění skleníku hraje velkou roli při návrhu a optimalizaci staveb z hlediska energetických bilancí. Pro porovnání byly zvoleny kromě stávající lokality, která se nachází v mírném pásmu na 49°severní šířky, lokalita na 60°severní šířky a lokalita jižní – teplá nacházející se na 113

30°severní šířky. Konkrétně severní lokalitou byly Helsinky ve Finsku a jižní oblastí bylo město Giza v Egyptě. Tyto tři vybrané lokality prezentují teplé, mírné a studené oblasti Země nejen s rozdílnou teplotou prostředí, ale také s rozdílnou délkou a intenzitou slunečního svitu. Průměrné měsíční teploty ovzduší jsou znázorněny vTabulce 5.18. Tato tabulka také porovnává sumy dopadajícího slunečního záření na horizontální rovinu v jednotlivých lokalitách. Grafické znázornění hodnot z Tabulky 5.18 je zobrazeno v Grafu 5.40. Z tabulky vidět, že vzhledem k referenční oblasti, pro kterou byl skleník navržen tj. 49°severní šířky, jsou průměrné měsíční teploty v Helsinkách v zimním období o 5 až 10 °C nižší, v letním období jsou nižší cca o 5°C. Sumy dopadající radiace jsou v zimním období nižší, což je dáno hlavně délkou slunečního svitu, ale v letním období je intenzita slunečního záření téměř shodná. Celkově dopadne v Helsinkách o 18% méně slunečního energie. Opakem k Helsinkám je město Giza, kde jsou průměrné teploty ve srovnání s referenční oblastí o 10 až 15°vyšší, v letním období vyšší o cca 8°C. Množství dopadající sluneční energie na horizontální rovinu je v této oblasti téměř dvojnásobné. Porovnání trajektorie slunce po obloze v jednotlivých lokalitách je znázorněn na Grafu 5.41. Trajektorie slunce je definovaná azimutem a výškou pro daný den a hodinu. V Grafu 5.41 jsou znázorněny trajektorie slunce po obloze pro oba letní a zimní slunovrat a rovnodennost. I na tomto grafu je možné vidět jaká je délka slunečního svitu v jednotlivých dnech v sledovaných lokalitách. Tabulka 5.18 Porovnání průměrných teplot vzduchu a sum dopadajícího slunečního záření v jednotlivých lokalitách (data byla získána z databáze TRNSYS)

Měsíc I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Σ

texteriér Třeboň °C 4.0 4.0 5.6 12.1 15.9 20.5 20.4 19.0 12.6 8.5 2.2 0.0 x

texteriér texteriér Helsinki Giza °C -5.5 -6.4 -2.1 3.3 10.0 13.7 16.8 15.1 9.8 5.1 0.1 -3.9 x

Iradiace Iradiace Třeboň Helsinki

Iradiace Giza

°C kWh/m 2 kWh/m2 kWh/m2 13.6 26 7 108 14.8 44 25 122 16.9 88 63 172 21.0 165 109 196 24.5 165 166 227 26.9 184 184 238 27.7 173 173 239 27.4 147 126 220 25.6 90 70 186 23.3 58 33 155 18.6 23 9 112 15.0 19 4 97 x 1180 969 2073

114

Graf 5.40 Porovnání průměrných teplot a sum slunečního záření v jednotlivých sledovaných lokalitách

Graf 5.41 Porovnání trajektorie slunce po obloze na 30°, 49°a 6 0° severní ší řky

Změna lokality pro umístnění skleníku mění energetické potřeby na vytápění skleníku při udržení stejných vnitřních teplotách vzduchu a mění energetické zisky ze slunečních kolektorů. Změna těchto dvou veličin byla sledována při výpočtech energetických bilancí skleníku umístněného v odlišných lokalitách. Požadovaná interiérová teplota se nezměnila a je znázornená v Tabulce 5.19. Hlavním energetickým zdrojem, ze kterého se získavá energie na vytápění skleníku, je tepelné čerpadlo vzduch – voda. Potřebný výkon tepelného čerpadla byl pro oblast Třeboně stanoven na 12 kW. V této oblasti je minimální teplota -17°C. V Helsinkách však teplota 115

klesá až na hodnoty -21°C. Proto se výkon tepelného čerpadla a vzduchotechnické jednotky musel navýšit. Tepelné ztráty skleníku jsou při exteriérové teplotě -21°C 18 kW. Výkon TC a VZT byl proto přiměřeně zvýšen. V Egyptě je i v zimním období průměrná teplota 13 °C, proto se dá předpokládat, že pro udržení požadovaných vnitřních teplot budou stačit energetické zisky z dopadajícího slunečního záření. Výsledky simulací energetických potřeb skleníku jsou znázorněny v Tabulce 5.19. Pro udržení požadované vnitřní teploty ve skleníku muselo být pro lokalitu Helsinek vynaloženo o 30% více energie než v lokalitě Třeboň. Zase skleník umístněný v Gize si pro udržení požadovaných teplot v průběhu celého roku vystačil se slunečními zisky. Stanovená požadovaná teplota ve skleníku je pro oblast Egyptu nízká. Skleník v této oblasti by mohl být využíván s nízkou spotřebou k vytápění i v zimním období při interiérových teplotách vzduchu vyšších než těch, které byly stanoveny při porovnávání energetických bilancí pro jednotlivé oblasti. Porovnání energetických zisků ze slunečních kolektorů pro jednotlivé lokality jsou znázorněny v Tabulce 5.20. Z plochých vakuových kolektorů jsou energetické zisky v Helsinkách v letním období porovnatelné se zisky v Třeboni. V zimním období vakuové kolektory nepřinášely energetické zisky. Je to způsobeno tím, že akumulační nádrž, do které se akumulovalo teplo získané z vakuových kolektorů, byla průběžně vytápěná tepelným čerpadlem a elektrickými patronami na 40°C. Naproti tomu akumulační nádrž, do které se akumulovalo teplo z koncentračních kolektorů, byla udržována na 25°C. A tak i v zimním období koncentrační kolektory dokázaly ohřát vodu v akumulační nádrži. Z tohoto porovnání je zřejmé, že nastavený systém regulace vody v nádržích ovlivňuje možné energetické zisky ze slunečních kolektorů. Režim, který je vhodný pro jednu oblast, musí být upraven, pokud se má objekt umístit do jiné klimatické oblasti. Nejvyšší energetické zisky ze slunečních kolektorů jsou v teplé oblasti Egypta. Na druhou stranu je v této oblasti nutné určit při instalaci kolektorů kde a jak se energetické zisky z kolektorů využijí. Tabulka 5.19 Porovnání dodávky tepla z tepleného čerpadla (QTC) a ze vzduchotechnické jednotky (QVZT) na vytápění skleníku v jednotlivých lokalitách tinteriér QTC QTC QVZT QVZT QVZT Giza Měsíc Požadované Třeboň Helsinky Třeboň Helsinki °C kWh kWh kWh kWh kWh 12.7 2666 4578 1836 4341 0 I 13.0 1357 2618 1580 3323 0 II 17.8 1418 3619 2279 2759 0 III 20.0 8 786 845 1442 0 IV 17.5 0 0 167 10 0 V x 0 0 0 0 0 VI x 0 0 0 0 0 VII x 0 0 0 0 0 VIII 13.3 143 126 125 23 0 IX 12.7 469 259 1217 504 0 X 13.0 2702 2149 2769 2863 0 XI 10.3 2435 3485 2775 3120 0 XII x Σ 11197 17622 13594 18386 0

116

Tabulka 5.20 Porovnání energetických zisků z kolektorů koncentračních (QSG) a plochých vakuových v (QHeliostar) jednotlivých lokalitách QSG QSG QSG QHeliostar QHeliostar QHeliostar Třeboň Helsinki Giza Třeboň Helsinki Giza Měsíc kWh kWh kWh kWh kWh kWh 0 0 572 0 0 680 I 29 47 519 0 0 400 II 325 172 514 262 0 702 III 648 146 396 702 0 539 IV 414 61 388 575 352 603 V 323 22 377 537 792 599 VI 242 16 416 485 1036 675 VII 148 31 467 429 649 631 VIII 43 101 559 184 20 553 IX 32 76 618 71 0 525 X 1 16 522 0 0 460 XI 0 0 470 0 0 506 XII Σ 2207 687 5819 3245 2848 6872

117

6 Zhodnocení Komentáře k dosaženým výsledkům jsou na konci každé dílčí kapitoly výsledků. Závěrem krátce shrnu body, které byly vytyčené jako cíle této disertační práce. Cíle:

−

Zhodnocení přínosů nových metod navrhování, projektování a predikci chování technologických systémů a staveb, použitelných v biologických aplikacích. − Využiti výsledků matematického modelování pro návrh stavebních konstrukcí, otopného systému a dimenzování akumulačních nádrží. Komentář: Ze zkušeností, které jsem získal v průběhu vypracování této disertační práci, mohu konstatovat, že využívání simulačních programů v projekční činnosti je velkou pomůckou při hledání optimálního řešení složitějšího koncepčního řešení energetického systému v objektu. Tím se docílí dostatečné krytí energetických potřeb objektu nebo technologie zbytečného předimenzování nebo poddimenzování systému. Také optimalizace konstrukčního řešení stavby v závislosti na tvaru, orientaci, skladbě a transparentních otvorů v obvodové konstrukci je v simulačním programu dobře řešitelné. Cíle:

−

Začlenění systémů koncentračních kolektorů do programového prostředí TRNSYS pro přesnější výpočet dynamického chování se soustav využívajících těchto technologií. Základem pro začlenění je měření tepelně-technických vlastností solárních systémů umístněných v experimentálním skleníku a na základě měření optických vlastností lineární Fresnelovy čočky na simulátoru slunečního svitu. Komentář: Měření optických charakteristik Fresnelových čoček na simulátoru slunečního svitu umožnilo zhotovit tabulku zobrazující množství zkoncentrované přímé složky slunečního záření na plochu absorbéru (6 nebo 8 cm širokého) v závislosti na úhlu dopadu slunečního záření na plochu skla. Úhel je charakterizován azimutem a výškou slunce nad obzorem. Díky této tabulce bylo možné docílit přesnějšího rozdělení dopadající přímé složky slunečního záření na plochu čočky v matematickém modelu. Pro daný okamžik simulace (polohu Slunce vůči rastru) bylo možné určit reálné hodnoty energie prošlé do interiéru a energie zkoncentrované na absorbérech koncentračních kolektorů. Díky měření účinností kolektorů při různých teplotách teplonosné látky byly zhotoveny účinnostní křivky kolektorů, které také zpřesnili vlastnosti kolektorů v modelu. Cíle:

−

Využiti matematický modelů systémů pro predikci chování objektu v odlišných klimatických podmínkách, standardně definovaných TRY (Test Reference Year) a návrhů přizpůsobení stavebního řešení těmto podmínkám. Komentář: Poslední kapitola ukazuje příklad použití TRNSYSu jako nástroje k predikci chování navrženého objektu z hlediska konstrukčního řešení a také z hlediska energetického systému určeného ke krytí tepelných potřeb, pro různé klimatické podmínky. Výsledky ukazují, že každé klimatické podnebí si vyžaduje určité korekce v systému nebo konstrukci, tak, aby bylo dosaženo optimálních provozních parametrů objektu. TRNSYS je nástroj, pomocí kterého lze na základě výsledků simulací efektivně navrhnout technická opatření. 118

Cíle:

−

Zhodnocení energetické bilance systémů pro kultivaci řas za sledovaná období. Energetická bilance je zhodnocena na základě sestaveného matematického modelu v simulačním prostředí TRNSYS a naměřených dat z monitorovacího systému. Hodnocení slouží zároveň jako verifikace pro využití v reálných technických objektech. − Zhodnocení energetických toků v solárních a otopných systémech skleníku i budovy jako celku v rámci krátkodobých i dlouhodobých experimentů. Komentář: Z výsledků měření energetických bilancí biokultivátorů a kolektorových systémů plyne, že ohřev řasové suspenze je plně kryt z energetických zisků kolektorů. Také ohřev TV pro objekt je v čase slunečního počasí plně pokryt kolektory. Díky zlému vzájemnému promíchávání vody v nádržích AKU1 a AKU2 a slabému výkonu tepelného čerpadla (určené k chlazení AKU1 a AKU2) docházelo v průběhu kultivačního dne k vyčerpání energie určené k chlazení. V důsledku toho se musela do tepelných výměníku v kultivačním okruhu přivádět studená voda přímo z vodovodního řadu. Z výsledků měření kolektorových systémů je zřejmé, že účinnost využití dopadající sluneční radiace kolektory je z velké části ovlivněna velikostí akumulačních nádrží a množstvím odebíraného tepla v čase energetických zisků kolektorů. Při instalaci různých typů kolektorů na jednom objektu je také důležité používat pro každý typ kolektoru jinou akumulační nádrž nebo alespoň ohřívat vodu v rozdílných výškách nádrže, protože každý kolektor má jiné optimální pracovní podmínky. Kombinace různých energetických zdrojů, pro krytí tepelných potřeb objektu je možná a dá se s výhodou využít v přechodném období, kdy je i při nízkých venkovních teplotách dostatečná sluneční radiace. Pro optimální provoz solárních systémů je důležité zabezpečit odběr naakumulované tepelné energie v průběhu celého roku. Hlavně je důležité vědět, jakým způsobem bude teplo využito v letním období, kdy je ve většině případů přebytek této energie. Cíle:

−

Navrhnout obecně platná doporučení při projekci solárních systémů a využívaní simulačního programu TRNSYS. Komentář: Z výše uvedených konstatování je možné sestavit obecná doporučení, která je potřebné zohlednit při projekční činnosti energetických systémů a objektů využívající aktivně i pasivně sluneční energii: Doporučení 1 Specifikace zadání – stanovení, co od navrženého systému očekávám. Každému návrhu systému předchází zadání, ve kterém je důležité co možná nejpřesněji stanovit k jakému účelu má daný systém sloužit, jakým způsobem (konstrukčním, technologickým apod.) bude dosaženo jeho funkčnosti a jestli zvoleným řešením dosáhneme očekávané výsledky. Přesná specifikace zadání je důležitá pro úspěšnou realizaci projektu. Doporučení 2 Držet se obecně platných pravidel platných při projektování objektů pasivně i aktivně využívajících sluneční energii. Tato pravidla umožňují navrhnout taková řešení, která budou optimalizovat poziční, tvarové a dispoziční řešení objektu za účelem snížení externích zdrojů tepla v objektu a pro co možná největší využití sluneční radiace dopadající na objekt. 119

Doporučení 3 Při návrhu skladby stavebních konstrukcí objektu držet se normou doporučených nikoliv požadovaných součinitelů prostupu tepla konstrukcemi (ČSN 70 0540-2). Norma stanovuje požadované hodnoty, které je u novostaveb potřebné dodržet. Doporučené hodnoty norma uvádí jako pomůcku pro ty případy, kdy stavebník očekává od objektu nižší stupeň energetické náročnosti budovy (úsporná až mimořádně úsporná – ČSN 73 0540-2, Tabulka 9). Doporučení 4 Stanovit si co možno nejpřesněji skuteční provozní režim objektu resp. navrženého energetického systému. Stanovení provozního režimu je důležité pro správné nadimenzování jednotlivých částí systému, které následně ovlivňuje celkovou funkčnost systému. Doporučení 5 Konstrukční resp. ideové řešení ověřit celoroční energetickou simulací, objektu nebo sytému. Simulační schéma by měla zahrnovat jenom nezbytně nutné prvky, kterými je možné sledovaný systém definovat. Navržené ideové řešení systému je možné ověřit matematickou simulací. Výsledky z těchto simulací umožní zpětně upravovat a optimalizovat koncepční návrh, tak aby se dosáhlo požadovaných výsledků. V těchto fázích projektování stačí, aby matematický model obsahoval jenom základní prvky umožňující správnou funkčnost sledovaného systému. Doporučení 6 Simulace provést také pro kratší časové úseky v roce, kterými je možné zjistit chování sledovaného systému v extrémních podmínkách (teplé letní dny, zimní období s nízkými teplotami, přechodové období – chladný vzduch ale slunečné počasí). Simulace prováděné pro tyto časové úseky nám umožňuje zjistit, jestli i při extrémních okrajových podmínkách je systém funkční a nedochází k jeho výpadku z důvodu poddimenzování některého komponentu, který je součástí systému. Doporučení 7 Na základě výsledků simulací optimalizovat objekt nebo energetický systém z hlediska konstrukčního, výkonového a provozního režimu. Využití simulace v průběhu projekčních prací umožní optimalizovat (správně nadimenzovat) jednotlivé prvky systému i celý systém, tak aby byla zaručená jeho funkčnost. Při nesprávném nadimenzování jednoho prvku v systému nebo zlého určení konstrukce nebo provozního řádu může dojít k omezení funkčnosti části nebo celého systému.

V disertační práci jsou shrnuty výsledky, kterých jsem dosáhl při výzkumu a vývoji systémů, využívajících válcované skleněné rastry,v rámci řešení následujících projektů: 1. Mechanism, Ecophysiology and Biotechnology of Photosynthesis, LN00A141, podporovaný Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR 2. Centre of Biological Technologies Nové Hrady, No. CZ01.11.01.01. Podporovaný PHARE EU, Jihočeským krajem, Jihočeskou univerzitou a SFŽP ČR.

120

3. „Solar Energetic of Natural and Technological Systems”, No. 020001, podporovaný Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy ČR 4. Project No.103/99/0562 “ Development of the Energetic facade with usage of optical rasters made of Glass “ podporovaný Grantovou Agenturou ČR 5.

“Development of construction components using optical rasters made from glass of melting technology” , Grantová agentura Akademie věd Česke republiky č. ISQ110700572

6.

“Modular greenhouse utilizing optical rasters with high efficiency transformation of the solar energy and recycling of water”. VaV-SN/300/5/03, Ministerstvo životního prostředí ČR

V rámci těchto projektů jsem měl možnost nejen přispět k dosaženým výsledkům jednotlivých projektů, ale také vypracovat svou disertační práci. Díky těmto projektům jsem měl vytvořeno dostatečné materiální i odborné zázemí potřebné pro mou práci. Projekty, i když byly řešeny samostatně, vzájemně na sebe navazovaly a byly propojeny jedním společným (tématem) prvkem, kterým je skleněný optický rastr a jeho využití v objektech, stavbách a systémech využívající sluneční energii. Tyto projekty sledovaly: − Výzkum, vývoj, konstrukce a monitoring systémů a jejich prvků, využívajících sluneční energii pomocí skleněných rastrů a jejich aplikace ve stavebnictví a architektuře. − Využitelnost aktivních optických rastrů, prezentovaných lineární Fresnelovou čočkou pro navržení a zkonstruování patentově chráněného koncentračního biokultivátoru určeného k pěstování řasových kultur (patent číslo CZ 297395), zhodnocení provozu tohoto biokultivátoru a navržení správných kultivačních postupů pro získávání cenných bioaktivních látek. − Měření optických charakteristik rastrů. − Využitelnost aktivních i pasivních optických rastrů v energeticky úsporných stavbách určených jak pro občanskou vybavenost, tak pro stavby k pěstebním účelům (užitný vzor CZ 18543 U1, CZ 18955 U1). − Využívání matematických simulací k predikci energetických bilancí navržených systémů a staveb. − Využitelnost matematických modelů pro posouzení funkčnosti a energetické efektivity stavebních objektů a systémů s optickými rastry při jejich aplikaci v odlišných, standardně definovaných klimatických podmínkách. V projektech č. 1, 2 a 3 jsem řešil následující úkoly: − zhotovení projektové dokumentace pro výrobu a montáž biokultivárorů, − podílel jsem se na montáži a zprovoznění biokultivátorů a na vypracování návodu k používání daného zařízení (kapitola 4.1.1.), − vytvořil jsem matematické modely stavby a technologických systémů, umístněných v biotechnologické hale, využívajících sluneční energii (kapitola 4.2.1), − matematickými simulacemi jsem zjišťoval tepelné ztráty objektu a možné energetické zisky z navržených solárních systémů použitých ve stavbě. Těchto výsledků bylo využito při projektovaní biotechnologické haly, především při dimenzování tepelného hospodářství objektu. (kapitola 4.2.2),

121

− −

po zprovoznění biokultivátorů v biotechnologické hale jsem měřil a vyhodnocoval naměřená data s ohledem na energetické toky v systému (kapitola 4.1.4), porovnal jsem hodnoty měřené v hale s hodnotami vypočtenými matematickou simulací a vyhodnocení výsledků z hlediska verifikace simulačního prostředí (kapitola 4.2.3).

V projektu č. 4 jsem se zabýval: − měřením a vyhodnocením optických charakteristik pasivních rastrů a jejich porovnáním s výsledky, vypočtenými v programu RASTER (výsledky jsou prezentovány v práci Jirka et. al 2002b). V projektu č. 5 jsem: vypracoval kompletní detailní projektovou dokumentaci modulů střešních i fasádních koncentračních kolektorů pro projektanty, která je volně stažitelná na internetové stránce www.enki.cz, − změřil optické charakteristiky Fresnelovy čočky zabudované do dvojskla pro začlenění do programového prostředí TRNSYS (kapitola 5.1.4).

−

V projektu č. 6 jsem řešil následující úkoly: jako spoluautor návrhu experimentálního skleníku v Třeboni jsem vytvořil matematické modely v simulačním prostředí TRNSYS pro simulace energetických bilancí skleníku a solárních systémů v něm použitých, − výsledky předprojektových simulací jsem použil pro volbu optimální skladby stěn a pro dimenzování zdroje tepla a velikosti akumulačních nádrží (kapitola 5.2.1), − vypracoval jsem výkresovou dokumentaci ke stavebnímu povolení, − zhotovil prováděcí výkresovou dokumentaci k výrobě a montáži koncentračních kolektorů, střešní konstrukce a jejího zateplení, − navrhnul jsem rozmístnění jednotlivých technologií ve skleníku s ohledem na dispoziční řešení vnitřních prostor, − na základě měření spektrální reflektance nástěnných barev spektrofotometrem a znalosti spektrálních vlastností fotosyntézy jsem zvolil nejvhodnějších barevné řešení skleníku s ohledem na schopnost odrážet světlo ve vlnové délce absorbované chlorofylem, ale také se schopností co nejvyšší absorpce slunečního záření (kapitola 5.1.1.1), − zkorigoval jsem matematické modely skleníku a solárních systémů podle skutečného stavu na konci projektu, − na základě vyhodnocení naměřených dat ze solárních systémů ve skleníku a simulátoru slunečního svitu jsem zlepšil matematický model za účelem zpřesnění výsledků výpočtů matematické simulace (kapitola 5.1.3 a 5.1.4), − zhodnotil jsem pomocí matematického modelu v TRNSYSu energetické toky ve skleníku v rámci krátkodobých i dlouhodobých experimentů a porovnal je se skutečnými naměřenými hodnotami na reálné stavbě za reálných monitorovaných podmínek (kapitola 5.2.4, 5.2.5), − predikoval jsem chování stavebního objektu skleníku a jeho kolektorových systémů za standardně definovaných klimatických podmínek pro subtropické (Gize – Egypt) a subarktické (Helsinky – Finsko) a navrhnul pro tyto zeměpisné šířky stavební úpravy (kapitola 5.2.6), − podílel jsem se přednáškami vedením cvičení na nově zavedeném předmětu Solární energetika na UFB Jihočeské university.

−

122

123

REFERENCE Avissar R. and Mahrer Y. (1982) Verification study of a numerical greenhouse microclimate model. Trans. ASAE 25, 1711–1720. Falkowski, P.G., Knoll, A.H. 2007: Evolution of primary producers in the sea.- Elsevier Academic Press, 441 pp. Falkowski, P.G., Raven J.A. 2007 Aquatic photosynthesis.- Princetown Univ. Press, 484 Ghosal M.K., Tiwari G.N. (2004) Mathematical modeling for greenhouse heating by using thermal curtain and geothermal energy. Solar Energy 76, 603–613 Chen W., Liu W. (2004) Numerical and experimental analysis of convection heat transfer in passive solar heating room with greenhouse and heat storage. Solar Energy 76, 623–633 Jirka, V., Kuceravy, V., Korecko, J., Cap, J., Sourek, B., Jangl, J., Wagner, J. (2002a) Glass rasters for architecture and building produced in Czech Republic. In: sayigh, A., A., M., (Ed.), Renewable Energy. Extended abstracts. WREC VII, Cologne, Germany, pp. 691. Jirka, V., Kuceravy, V., Korecko, J., Cap, J., Sourek, B., Jangl, J., Wagner, J. (2002b) Optical rasters – comparison of theoretical an measured values taken from real rasters. In: sayigh, A., A., M., (Ed.), Renewable Energy. Extended abstracts. WREC VII, Cologne, Germany, pp. 394. Kalina, T, Váňa, J. 2005: Sinice, řasy, houby, mechorosty a podobné organismy v současné biologii.- Univerzita Karlova v Praze, Nakladatelství Karolinum, 606pp Kindelan M. (1980) Dynamic modeling of greenhouse en vironment. Trans. ASAE 23, 1232– 1236. Kirk, J.T.O. (1994) Light and photosynthesis in aquatic ecosystems, Cambridge Univ. Press, 509 pp. Kritchman, E.M., Friesem, A.A., Yekutieli, G., (1979) Efficient Fresnel lens for solar concentration. Solar Energy 22, 119–123. Leutz, R., Suzuki, A. (2001) Nonimaging Fresnel Lenses, Springer, Germany Masojidek, J., Papacek, S., Sergejevova, Jirka, V.,Cerveny, J., Kunc, J., Korecko, J., Verbovikova, O., Kopecky, Stys, D., Torzillo, G.: A closed solar photobioreactor for cultivation of microalgae under supra-high irradiance: basic design and performance. Journal of Applied Phycology 15, 239-248, 2003, Kluwer Academic Publishers. Masojidek, J., Sergejevova, M., Rottnerova, K., Jirka, V., Korecko, J., Kopecky, J., Zatkova, I., Torzillo, G., Stys, D. 2008: A two-stage solar photobioreaktor for cultivation of microalgae based on solar concentrators. Springer accepted 2008. Masojidek, J., Torzillo, G. 2008: Mass Cultivation of Freshwater Microalgae. Ecological Engineering, 2226-2235. Matuška, T. 2009: Solární tepelné soustavy. Společnost pro techniku prostředí, ISBN 978-8002-02186-5, 194 str. Matuška, T. - Šourek, B.: Energetické zisky a ztráty solárních soustav In: Vytápění - Třeboň 2005. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2005, s. 196-204. ISBN 80-02-01 Miguel, A., Bilbao, J.: Test reference year generation from meteorological and simulated solar radiation data In: Solar Energy, Volume 78, Issue 6, June 2005, Pages 695-703, Elsevier B.V. Molina Grima, E., Sánchez Pérez, J.A., García Camacho, F., García Sánchez, J.L., Acién Fernández, F.G., López Alonso, D., 1994b. Outdoor culture of Isochrysis galbana ALII-4 in a closed tubular photobioreactor. J. Biotechnol. 37, 159–166. Nabelek, B., Maly, M., Jirka, Vl., (1991) Linear Fresnel lenses, their design and use. Renewable Energy 1, 403–408. Nelson, D.T., Evans, D.L., Bansal, R.K., (1975) Linear Fresnel lens concentrators. Solar Energy 17, 285–289. 124

Papáček, Š., Čelikovský, S., Štys, D., Ruiz-León, J. 2007: Bilinear System as Modelling Framework for Analysis of Microalgal Growth. Kybernetika, vol. 43 (2007), 1-20. Perner-Nochta, I., Posten, C. 2007: Simulation of light intensity variation in photobiorectors. Journal of Biotechnology 131, 276-285 Rai, L.C., Gaur, J.P. (Eds.) 2001: Algal Adaptation to Environmental Stresses.- Springer Verlag 421 Rebolloso Fuentes, M. M., García Sánchez, J.L., Fernández Sevilla, J.M., Acién Fernández, F.G., Sánchez Pérez, J.A., Molina Grima, E., 1999. Outdoor continuous culture of Porphyridium cruentum in a tubular photobioreactor: quantitative analysis of the daily cyclic variation of culture parameters. J. Biotechnology 70, 271-288. Santamouris M.el al. (1994) Passive solar agricultural greenhouses: a worldwide classification and evaluation of technologies and systems used for heating purposes. Solar Energy 53, 411-426 Sethi, V., P., Sharma, S., K. (2007) Survey of cooling technologies for worldwide agricultural greenhouse applications. Solar Energy 81, 1447-1459 Sethi V.P. (2009) On the selection of shape and orientation of a greenhouse: Thermal modeling and experimental validation. Solar Energy 83, 21–38 Šebánek, J. a kolektiv Fyziologie rostlin. 1. vyd. Praha : Státní zemědělské nakladatelství, 1983. s. 166–168 Takakura T., Jordan K. A. and Boyd L. L. (1971) Dynamic simulation of plant growth and environment in the greenhouse. Trans. ASAE 14, 964–971. Tripanagnostopoulos, Y., Siabekou, Ch., Tonui, J.K. (2007) The Fresnel lens concept for solar control of buildings. Solar Energy 81, 661–675 TRNSYS Manual. Version 16 (2004) Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin, Madison. Yuan.Kun, L., Microalgal mass culture systems and methods: Their limitation and potential. Journal of Applied Phycology 13, 307-315, 2001, Kluwer Academic Publishers. Zou, N., Richmond, A., 1999. Effect of light-path length in outdoor flat plate reactors on output rate of cell mass and of EPA in Nannochloropsis sp. Journal of Biotechnology 70, 35-356. ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov - požadavky

125