SOLÁRNÍ SYSTÉM S DLOUHODOBOU AKUMULACÍ TEPLA VE SLATIŇANECH – ANALÝZA PROVOZU –
Martin Kny student Ph.D., ČVUT v Praze, fakulta stavební, katedra technických zařízení budov
[email protected]
Konference Energetická efektívnosť 16 - 18.10. 2012 – Banská Bystrica
Obsah • Představení projektu dlouhodobé akumulace • Technický popis systému • Provoz systému • Energetická bilance systému • Problémové prvky systému • Opatření ke zvýšení efektivity systému • Zhodnocení projektu
Představení projektu Systém realizován v roce 1996 Zajišťuje vytápění a přípravu TV pro rekonstruovaný objekt chráněných dílen Domova sociálních služeb ve Slatiňanech Solární termické kolektory jsou umístěny na střeše objektu, energie je ukládána do teplovodního akumulačního zásobníku. Dodnes největší systém v ČR využívající dlouhodobé akumulace
Technický popis systému • Zásobník tepla, nadzemní ocelový, objem 1082 m3, tepelná izolace 700 mm (MW)
• Kolektorové pole, plocha 147,8 m2 (absorber), sklon 38°, azimut + 10° • Tepelné čerpadlo (dále TČ), výkon 37 kW, • Elektrokotel, výkon 37 kW (záložní zdroj) • Pohotovostní zásobníky, 2 x 1.3 m3 (osazeny výměníky solárního okruhu, možnost nabíjení z TČ) • Příprava TV, zásobníkový ohřívač 1,3 m3 (osazen výměník solárního okruhu, elektrická topná vložka a výměník z kotle na biomasu) • Otopný systém, podlahové vytápění, plocha přes 800 m2
Technický popis systému Schéma současného stavu systému (vyznačeny měřené hodnoty) Měřené hodnoty zaznamenávány v minutovém kroku v řídicím počítači
Provoz systému Většina energie získaná z kolektorového pole je ukládána do akumulačního zásobníku, část je využita pro přípravu TV, případně přímo využita pro vytápění (přes pohotovostní zásobníky) Během otopného období může systém pracovat ve třech režimech: • Přímý odběr teplé vody z akumulačního zásobníku (až do teploty v zásobníku cca 36 až 39 °C) • Odběr energie za zásobníku přes TČ (do min. teploty v zásobníku, cca 15 až 10 °C) • Systém akumulace odpojen, energie pro vytápění je dodávána elektrokotlem Průběh teplot v akumulačním zásobníku v roce 2011
(°C)
55
T_32
50
T_33
45
T_34 T_35
40
T_36
35
T_37
30
T_38 T_39
25
T_40
20
T_41
15
1.3.2012
1.2.2012
1.1.2012
1.12.2011
1.11.2011
1.10.2011
1.9.2011
1.8.2011
1.7.2011
1.6.2011
1.5.2011
1.4.2011
1.3.2011
1.2.2011
1.1.2011
1.12.2010
10
Energetická bilance systému Systém v uplynulých letech pracoval se solárním pokrytím 60 až 77 % pro vytápění, 20 až 30 % pro přípravu TV. Spotřeba elektrické energie 2011
Bilance pro rok 2011 Solární pokrytí pro vytápění Tepelný zisk kolektorů Spotřeba tepla na vytápění Tepelná ztráta zásobníku
77 % 78 604 KWh 31 002 KWh 43 529 KWh
Tepelné čerpadlo Elektrokotel Ohřev TV Oběhové čerpadlo
5 493 KWh 435 KWh 8 420 KWh 1 237 KWh
(solární okruh)
Tepelná ztráta zásobníku přesáhla 55 % ze zisků kolektorového pole
14000
Bilance systému v roce 2011
(kWh)
Tepelná ztráta zásobníku (kWh)
12000 10000
Dodaná energie do zásobníku (kWh)
8000 6000 4000
Spotřeba tepla na vytápění (kWh)
2000
pros.
listop.
říjen
září
srpen
červ.
červen
květen
duben
březen
únor
leden
0
Energetická bilance systému Příprava TV Solární pokrytí pro přípravu TV nelze přesně stanovit (není měřena energie z kolektorů dodaná pro přípravu TV). V červnu 2011 bylo provedeno měření solárního pokrytí pro TV. Bylo dosaženo pokrytí cca 40 %. Roční pokrytí bylo odhadnuto na cca 20 %. Zisky kolektorového pole Měrné zisky dosahují 385 až 533 kWh/m2.rok (maximum v roce 2011) Průběh měrných solárních zisků
90 80 zisk z 1 m2 (kWh)
70 60 50 40 30
Měrné zisky kolektorového pole ve vybraných letech
20 10
2011
s. pr o
to p. lis
en říj
í zá ř
pe n
, 2010
sr
če rv
ve n
en
če r
n
2005
kv ět
du be
ze n
bř e
ún or
le de n
0
Problémové prvky systému 1) Vysoké tepelné ztráty akumulačního zásobníku Z bilance stanoven průměrný součinitel prostupu tepla pláště zásobníku U = 0,35 W/m2.K (předpoklad cca U = 0,08 W/m2.K) HLAVNÍ PROBLÉM … Konstrukce pláště
Termovizní snímek 7.12.2011
Problémové prvky systému Roční průběh tepelných ztrát v porovnání s předpokladem pro rok 2011
Tepelné ztráty zásobníku v letech 2003, 2010 a 2011
2011
8 000 7 000
2010
2003
5 000 4 000
2011 předpoklad (U=0.08)
3 000 2 000 1 000
en lis to pa d pr os in ec
říj
zá ří
sr pe n
ún or bř ez en du be n kv ět en če rv en če rv en ec
0 le de n
ztráta (kWh)
6 000
měsíc
Problémové prvky systému Měrná tepelná ztráta zásobníku není v průběhu roku konstantní, pohybuje se v rozmezí cca 140 až 260 W/K. Hlavní příčinou vysokých tepelných ztrát zásobníku je pravděpodobně proudění vzduchu souvrstvím pláště. Vzduch vstupuje do souvrství ve spodní části a ohřátý vystupuje pod střechou zásobníku… Měrné tepelné ztráta v závislosti na teplotním rozdílu 300
ztráta
200
Lineární 250 (ztráta) 200
150
150
měrná ztráta (W/K)
100
100 50
50
10 15 20 25 30 teplotní rozdíl zásobník x exteriér (K)
Měrné tepelné ztráty (2011)
35
40
en
lis to p. pr os .
5
říj
0
zá ří
0 0
le de n ún or bř ez en du be n kv ět en če rv en če rv e. sr pe n
měrná ztráta (W/K)
250
Měrné tepelné ztráty zásobníku v roce 2011 300
Měrné tepelné ztráty v průběhu roku (2011)
Problémové prvky systému
2) Poruchy systému Nespolehlivost regulačních a ostatních řídících prvků daná stářím systému (těsnost trojcestných armatur, funkčnost jejich pohonů, nespolehlivost solárního regulátoru…)
Opatření ke zvýšení efektivity systému Opatření lze rozdělit na: • Úpravy současného systému • Koncepční úpravy systému
Úpravy současného systému
• uvedení všech prvků systému do funkčního stavu (trojcestné ventily, pohony) • změny v systému regulace (teploty spínání oběhových čerpadel, okamžik zapnutí TČ, zprovoznění regulace nabíjení zásobníků TV)
• upravit průtoky v jednotlivých částech systému Uvedené úpravy by mohly přinést zvýšení solárního pokrytí pro vytápění až o 5 %, v přípravě TV až o 10 %.
Opatření ke zvýšení efektivity systému
Koncepční úpravy systému • Zlepšení tepelně-izolačních vlastností pláště zásobníku. Při snížení U z 0,35 na U = 0,175 W/m2.K by solární pokrytí pro vytápění vzrostlo o 14 až 20 % (pro rok 2010 o cca 18 %)
• Zlepšení využití solární energie v jarním období (za současného stavu systému je většina energie uložena do zásobníku, i když by byla využitelná při vytápění objektu)
v závislosti na součiniteli prostupu tepla obvodového pláště zásobníku
40
0.150
30 Parametry systému v roce 2010
0.175
50
0.225
40
0.250
60
0.275
50
0.300
70
0.325
60
0.350
80
0.375
70
0.400
90
0.200
90s větším výkonem, větší objem • Úprava koncepce přípravy teplé vody (výměník zásobníku na TV, řízení průtoku kolektorovým polem) 80
stěna + strop U (W/m2.K)
stěna + strop U (W/m2.K)
0.125
0.150
0.175
0.200
0.225
0.250
0.275
0.300
0.325
0.350
0.375
0.400
30
solární pokrytí (%) max. teplota (°C)
tepelná ztráta (MWh)
Zhodnocení projektu • Do dnešních dnů v prostředí ČR ojedinělý projekt • Dosahované solární pokrytí pro vytápění 60 až 77 %, pro přípravu TV okolo 20 % • Účinnost systému je nižší něž předpokládal projekt. Hlavním důvodem jsou vysoké tepelné ztráty akumulačního zásobníku a velká spotřeba tepla na přípravu TV • I za těchto podmínek je systém pro majitele přínosný (vzhledem k dotaci na realizaci systému) • Potenciál možného zvýšit solární pokrytí pro vytápění až o 5 %, v případě přípravy TV až o 25 % (bez nadměrných finančních nákladů) • Projekt může být inspirací pro budoucí efektivněji pracující systémy
Děkuji za pozornost…
