Solární systém pro ohřev vody s vakuovými trubicovými kolektory VIA SOLIS – DOMOV 160-300 HODNOCENÍ 1. Sestava systému DOMOV 160-300 Solární systém sestává ze 3 kolektorů VIA SOLIS VK6 ve spojení se zásobníkem o objemu 160 litrů nebo 6 kolektorů se zásobníkem 300 litrů. Systém pracuje buď s nuceným oběhem (poloha kolektorů a zásobníku je nezávislá) nebo i s přirozeným oběhem (zásobník by měl být min. o 1,5 m výše než kolektory). Při nuceném oběhu má zásobník ohřívané vody uvnitř vestavěné oběhové čerpadlo, automatickou regulaci, pojistné a expanzní zařízení. Primární okruh mezi kolektory a výměníkem tepla v zásobníku je plněn nemrznoucí směsí, která umožňuje celoroční provoz zařízení. U přirozeného oběhu není potřeba oběhové čerpadlo a automatická regulace, takže zásobník je vybaven jen expanzním a pojistným zařízením. Příklady možných zapojení s nuceným nebo přirozeným oběhem jsou vyznačeny na zadní straně přiloženého prospektu (viz příloha).0
2. Hodnocení kolektoru VIA SOLIS VK6
Kolekor VIA SOLIS VK6 s reflektorem
Kolekor VIA SOLIS VK6 bez reflektoru
Posuzovaný kolektor je složen ze 6 vakuovaných skleněných trubic o vnějším průměru 47 mm, vnější průměr vnitřní trubice, opatřený selektivním povrchem, je 37 mm. Rozteč trubic je 90 mm a účinná délka trubic je 1460 mm. Celková plocha opatřená selektivním povrchem u kolektoru je: 6 . 3,14 . 0,037 . 1,46 = 1,0177 m2 U trubicových kolektorů je podle ČSN EN ISO 9488 plocha absorbéru dána průmětem válcové absorbující plochy do roviny kolmé na sluneční paprsky. Na tuto plochu se pak vyhodnocují všechny zisky energie i ztráty: 6 . 0,037 . 1,46 = 0,32412 m2 U trubicových kolektorů „VIA SOLIS“ je plocha specielně konstruovaného absorbéru shodná s plochou opatřenou selektivním povrchem, tj. 1,0177 m2. Na vnitřní absorbující trubici je nanesen selektivní povrch velmi dobrých vlastností (obr.1). Při tzv. nízkoteplotním využívání kolektoru do povrchové teploty absorbéru 150 °C je dosahováno vysokého součinitele pohltivosti slunečního záření a = 0,95 a zároveň velmi nízkého součinitele emisivity přeměněného tepelného záření ε = 0,05. Trubice jsou vyrobeny z velmi kvalitního křemičitého skla o tloušťce 1,5 mm s minimálními příměsemi kysličníků kovů. Průměrná tepelná propustnost slunečního záření sklem je τ = 0,92. Z uvedených údajů vychází vysoká optická účinnost kolektoru ηo = 0,87. Tepelné ztráty trubicových vakuovaných kolektorů nastávají většinovým vlivem záření, ztráty tepla konvekcí jsou prakticky zanedbatelné. Měřením ztrát tepla vakuovaných trubic se zabýval v USA Rabl jak teoreticky, tak experimentálně. Výsledky jím zjištěného součinitele tepelných ztrát U (W/m2K) kolektoru jsou uvedeny v obr. 2. Křivka a tam značí tepelnou ztrátu vlastní trubice, křivka b vyjadřuje ztráty neabsorbujících, ale teplých částí kolektoru (hodnoty a zvýšené o 50 %). Tyto výsledky byly potvrzeny experimenty a jsou použity při výpočtu křivky účinnosti kolektoru, znázorněné na obr. 3. účinné spektrum slunečního záření
100 90 80
Refleclance (%)
70
= 0,95 = 0,05 Series 1
60 50 40 30 20 10 0 100
1000
Wavelength (nm)
Obr. 1 Spektrální průběh součinitele odrazivosti selektivního povrchu
10000
3
b
2
Uap, W/m C
2 a
1
0
0
100
200
300
Tabsorber, C
Obr. 2 Součinitel tepelných ztrát U vakuovaného trubkového kolektoru a – vlastní trubka, b – celkový včetně ztrát zadní stranou 90
85%
80 70
81,5% VK 6 - vakuový kolektor
68%
60 50
47%
40 30
Běžný plochý kapalinový kolektor
20 10 0
0
0,1
0,2 A ( m 2 K/W)
Obr.3 Průběh vypočtené křivky účinnosti η vakuovaného trubicového kolektoru
0,3
ENERGETICKÉ ZISKY VAKUOVANÉHO TRUBICOVÉHO KOLEKTORU Výpočtem lze prokázat množství zachycené energie kolektorem. Množství skutečně využité energie záleží na intenzitě a způsobu využívání solárního zařízení jako celku a na momentálním průběhu počasí v daném období. Výpočet je proto proveden pro průměrné podmínky, pro zeměpisnou polohu na 50° severní šířky, součinitel znečištění atmosféry Z = 3, průměrnou dobu slunečního svitu 1750 hodin za rok, sklon kolektoru k vodorovné rovině 45° a jeho orientaci k jihu. Z této celkové doby připadá na teplejší měsíce roku (duben až září) průměrně 1320 hodin svitu při průměrné teplotě vzduchu 19,65 °C a průměrné intenzitě záření dopadajícího na takto orientovaný kolektor 604 W/m2. V chladnějším období (říjen až březen) je průměrně 430 hodin svitu při průměrné teplotě vzduchu +2,72 °C a průměrné intenzitě záření 451 W/m2. Hodnoty intenzity jsou vždy vztaženy na sklon kolektoru 45° a k jeho jižní orientaci. O množství zachycené energie rozhoduje rovněž teplota absorbéru, resp. výstupní a vstupní teplota kapaliny do kolektoru. Předpokládá-li se, že vstupní teplota bude vždy 10 °C a výstupní teplota kapaliny v teplejším období roku vždy 55 °C, zatímco v chladnějším období bude výstupní teplota 40 °C, budou střední teploty: - v teplejším období …………………….. tm = 32,5 °C - v chladnějším období …………………. tm = 25,0 °C K určení průměrných účinností, s nimiž bude kolektor pracovat, je nutné určit parametr A = (tm – tv) : G (m2K/W), který je vynesen na vodorovné ose pro křivku účinnosti kolektoru (obr. 3): - pro léto A = (32,5 – 19,65) : 604 = 0,0212 …….. tomu odpovídá účinnost 85 % - pro zimu A = (25,0 – 2,72) : 451 = 0,0494 …….. tomu odpovídá účinnost 81,5 % Tyto hodnoty jsou také průměrné za uvedená období a jsou mnohem vyšší než u běžného plochého kapalinového kolektoru. V dalším energetickém hodnocení je nutno rozlišit provedení kolektoru buď prosté nebo s odraznou zadní plochou (zrcadlem). První hodnocení je pro jednoduché provedení bez zrcadla Energetický zisk jednoho kolektoru bez zrcadla za výše uvedených podmínek bude: - za letní období ………………E = 1320 . 0,604 . 0,85 = 677,7 kWh/m2 - za zimní období ……………. E = 430 . 0,451 . 0,815 = 158,0 kWh/m2 Celkový zisk z 1 m2 absorpční plochy je 835,7 kWh/m2 za rok . Ve srovnání s plochým kapalinovým kolektorem běžného provedení za těchto podmínek 1 m2 kolektoru VIA SOLIS nahradí 1,32 m2 běžného kolektoru.
Jiné porovnání je možno získat při ohřevu vody na vyšší teploty, například na 90 °C, při níž je teplota povrchu absorpční plochy kolektoru VIA SOLIS 100 °C. Tomu odpovídá v letním období hodnota A = 0,133 a účinnost kolektoru VIA SOLIS 73 %, zatímco účinnost běžného plochého kolektoru je za těchto podmínek již nulová. Při hodnocení za zimní období při ohřevu vody na 90 °C je parametr A = 0,2157 a účinnost kolektoru VIA SOLIS je zhruba 50 %, zatímco účinnost běžného plochého kolektoru je rovněž již dávno nulová. Energetický zisk kolektoru VIA SOLIS při celoročním ohřevu kapaliny na 90 °C: - za letní období ……………. 1320 . 0,604 . 0,73 = 582,0 kWh/m2 - za zimní období …………… 430 . 0,451 . 0,5 = 97,0 kWh/m2 Celkový měrný energetický zisk kolektoru za rok je 679 kWh/m2.. V tomto porovnání nahradí kolektor VIA SOLIS libovolně velkou plochu běžných plochých kapalinových kolektorů s neselektivním povrchem, protože běžné ploché kolektory v této oblasti teplot již nefungují. Vliv reflexní plochy na energii zachycenou kolektorem VIA SOLIS: Podle měření provedených v srpnu 2004 je vliv reflexní plochy zanedbatelný do úhlu slunečního paprsku +- 200 od normály k reflexní ploše; při větším azimutu již rychle roste až při úhlu +- 400 může znamenat až 2 násobné zvýšení účinnosti, což způsobí úměrné zvýšení zachycené energie. Tlakové ztráty kolektoru Při návrhovém průtoku 50 kg/h kapaliny (vody nebo nemrznoucí směsi) 1 kusem kolektoru VIA SOLIS se průtok rozdělí do 6 trubic. Jednou trubicí protéká 8,33 kg/h, čímž se v trubce o vnitřním průměru 8,8 mm vytvoří rychlost pouhých 0,03805 m/s. Odpovídající tlaková ztráta při proudění vody nepřekročí 14 Pa, při proudění nemrznoucí směsi pak 20 Pa. Tyto ztráty jsou velmi malé a při provozu na vyšší teploty umožňují provoz na gravitační vztlak.
3. Kompaktní solární zásobníky MIROTERM Popis zásobníků je na str. 3 přiloženého prospektu (viz příloha).
4. Monitorovací systém DuoSol 24 Solární systém je řízen vlastním nezávislým elektronickým regulátorem, který je zabudován do solárního zásobníku. Pro didaktické účely je systém možno doplnit ještě o měřící modul, průběžně měřící řadu veličin, které popisují činnnost celého systému, např.: – intenzita slunečního záření – teplota vzduchu
– – – – –
teplota topného média na vstupu do kolektoru teplota akumulační vody v zásobníku teplota užitkové vody na vstupu do výměníku teplota užitkové vody na výstupu z výměníku průtok TUV
Z naměřených veličin je možnost výpočtu dalších hodnot: – okamžitý výkon solárních kolektorů – množství energie vyrobené kolektory za den – množství energie odebrané ze systému formou teplé vody Alternativně je možné systém DuoSol 24 důsledně napájet solární energií. Součástí této alternativy je fotovoltaická panel, dodávající energii do akumulátoru, napájejícího veškerá podpůrná zařízení, tj. především čerpadlo v primárním okruhu. Systém je v tomto případě zcela nezávislý na elektrické rozvodné síti. Sluneční energie ohřívá nejen TUV, ale dodává i potřebnou el. energii pro chod celého solárního zařízení. Vizualizace získaných dat popisujících chování systému Naměřené hodnoty jsou zobrazeny na měřícím panelu. Dále je možno k systému připojit počítač, na kterém jsou zobrazeny časové průběhy naměřených veličin a jejich vzájemné závislosti. Systém je opatřen i interfacem pro připojení k datové síti školy ve formátu TCP/IP. Tato data pak jsou k dispozici na všech počítačích zapojených do sítě v celém objektu školy. Měřená data jsou tedy jednoduše využitelná interaktivně při výuce v odborných předmětech.
5. Životnost a provozní spolehlivost zařízení Minimální životnost kolektorů je 30 let, ostatních částí (kromě oběhových čerpadel a automatické elektronické regulace) pak 20 roků. Na zásobník je poskytována záruka 10 let, na kolektory 8 roků. Provozní spolehlivost zařízení je vynikající, pracuje i při pouze difúzním zářením, kdy již ploché kolektory prakticky nefungují.
6. Spotřeba primární energie na výrobu zařízení Spotřeba primární energie na výrobu jednotlivých komponent solárního systému a) Vakuový trubicový solární kolektor VIA SOLIS VK6 - použitý materiál: sklo, hliník, měď, pryž, vláknitá tepelná izolace - celková hmotnost: 23,5 kg - spotřeba primární energie: max. 420 kWh - výpočty a dlouhodobě prováděné zkoušky solární sestavy D 160 prokázaly min. energetický zisk z jednoho kolektoru v solární sestavě: 600 kWh/rok - primární energetická splatnost (návratnost): 420 : 600 = 0,7 roku (tj. 8,4 měsíce) - při 10ti letém provozu vyrobí solární kolektor 14,2 krát více energie, než spotřebuje na svou výrobu
- při 20ti letém provozu vyrobí solární kolektor 28,4 krát více energie, než spotřebuje na svou výrobu b) Kompletní solární systém D 160 (160 litrů akumulační zásobník): – vakuový trubicový kolektor VIA SOLIS VK6 3 x 420 = 1.260 kWh – kompaktní solární zásobník OVS 160 SK (materiál: ocel. plech, měď, izolace, plast) 1.350 kWh – podpěrné mechanické konstrukce (materiál: hliník, nerez) 366 kWh c e l k e m: 2.976 kWh – – – –
min. energetický zisk 3 x 600 = 1.800 kWh/rok primární energetická splatnost (návratnost): 3.976 : 1.800 = 1,65 roku při 10ti letém provozu vyrobí kompletní solární systém 6,05 krát více energie, než spotřebuje na svou výrobu při 20ti letém provozu vyrobí kompletní solární systém 12,1 krát více energie, než spotřebujena svou výrobu
Poznámka: Pro výpočet spotřeby primární energie a její splatnosti byly použity minimální hodnoty získané energie v solární sestavě. Energetický zisk solární sestavy je mj. také závislý na provozních podmínkách uživatele v průběhu celého roku a může tak dosáhnout i výraznějších hodnot.
Ekologický přínos alternativních zdrojů Následně uvedená tabulka vyjadřuje kilogramy měrných emisí, které jsou vypočteny dle vyhlášky č. 270/93 Sb., vydané MŽP, přepočtené na 1 MWh tepla obsaženého v palivu (údaje v kg/MWh). palivo hnědé uhlí netříděné energetické elektřina - 30% účinnost elektráren hnědé uhlí tříděné černé uhlí topný koks LTO velmi LTO dříví zemní plyn úspora sytému "DOMOV" typ D 160 palivo hnědé uhlí netříděné energetické elektřina - 30% účinnost elektráren hnědé uhlí tříděné černé uhlí topný koks LTO velmi LTO dříví zemní plyn
SO2 (kg) 3,25 10,82 4,88 1,85 1,47 3,42 0,88 0,26 0,09
NO x (kg) 4,12 13,73 0,77 0,23 0,21 0,88 0,43 0,77 3,5
CO 2 (kg) 0,08 0,25 11,5 6,75 6,23 0,05 0,06 0,26 1,2
C xHx (kg) 0,02 0,08 2,57 1,5 1,39 0,04 0,04 0,26 0,01
tuhé částice (kg) 4,98 16,58 2,13 1,24 1,42 0,18 0,12 3,21 0
2,256 MWh/rok - měřená hodnota v optimálním provozu r. 2003 SO2 (kg) 7,32 24,4 11,01 4,17 3,32 7,72 1,97 0,580 0,19
NO x (kg) 9,3 30,98 1,74 0,05 0,47 1,97 0,97 1,74 7,9
CO 2 (kg) 0,17 0,56 25,94 15,23 14,06 0,11 0,14 0,58 2,71
C xHx (kg) 0,05 0,17 5,8 3,38 3,13 0,08 0,08 0,58 0,03
tuhé částice (kg) 11,22 37,41 4,81 2,81 3,2 0,41 0,28 7,24 0,01
Tabulka vyjadřuje kilogramy emisí, které nevzniknou při této úspoře. Tyto emise následně nemusí ohrožovat naše zhoršující se životní prostředí a zároveň nebude potřeba vynakládat další finanční zdroje na likvidaci emisí (odlučovače, uložení tuhých částic …). Měrné emise jsou vypočteny dle vyhlášky č. 270/93 Sb. vydané MŽP, přepočtené na 1 MWh tepla obsaženého v palivu (údaje v kg/MWh).
8. Závěrečné hodnocení Solární zařízení DOMOV D 160–300 s vakuovými trubicovými kolektory jsou vysoce kvalitní zařízení světové technické úrovně. Vynikající vysokou účinností, dlouhou životností a též příznivou cenou. Vakuové trubicové kolektory mohou být montovány na ploché i šikmé střechy, na terén i na svislé osluněné stěny, lodžie a atiky domů. Kolektory při tom nejsou příliš citlivé na sklon k vodorovné rovině i na rychlost větru, která zvyšuje tepelné ztráty konvekcí u plochých kolektorů. Zařízení jsou vhodná pro celoroční provoz jak pro ohřev užitkové vody, tak i pro přitápění objektů. Splňují i hygienické požadavky na likvidaci bakterií Legionella Pneumophyllis (ohřev nad 75oC). Zařízení jsou vhodná jak pro byty a rodinné domy, tak i jako demonstrační zařízení nového typu pro školy do programu „Slunce do škol“.
Kroměříž, 19. 8. 2004
Doc. Ing. Karel Brož, Csc.
