Mendelova univerzita v Brně Institut celoživotního vzdělávání Oddělení Expertního Inženýrství
Využití solární energie pro ohřev vody a vytápění Bakalářská práce
Vedoucí Bakalářské práce: Ing. Petr Trávníček, Ph.D.
Vypracoval (a): David Šacher Brno 2013
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Využití solární energie pro ohřev vody a vytápění ˝ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana ICV MZLU v Brně. V Brně dne
_______________________
Podpis studenta
_______________________
Poděkování: Děkuji tímto panu Ing. Petru Trávníčkovi, Ph.D. za jeho odborné rady a cenné připomínky, které mi během zpracování této bakalářské práce vždy ochotně poskytoval.
Abstrakt Bakalářská práce se zabývá využitím solární energie na ohřev vody a vytápění. Úvodní kapitoly se věnují obecně solární energii, jejímu původu, dostupností a možnostem jejího využití. Dále jsou podrobně rozebrány jednotlivé části solárního systému a vývoj tohoto systému v České republice. Závěr je věnován popisu vybraného solárního systému na rodinném domě, vyhodnocení nákladu na nákup a provoz tohoto zařízení a následnému porovnání s konvenčním způsobem ohřevu vody a vytápění.
Klíčová slova Solární energie, aktivní solární systém, ohřev vody, vytápění, solární kapalinový kolektor, teplonosná kapalina, zásobník tepla, hnací systém, výměník, regulace
Abstract Bachelor´s thesis deals with using of solar energy for water heating and home heating. Introductory chapters deal with solar energy in general, her sources, availability and posibilities of using. Hereinafter are discussed individual parts of solar system in detail and development of this system in Czech republic. End is devoted to description of certain solar system used on family house and evaluation of costs for purchase and service of this system and subsequent comparison with conventional method of water and home heating.
Keywords Solar energy, active solar system, water heating, home heating, liquid solar collector, heat transfer fluid, heat storage, power system, heat exchanger, regulation
OBSAH 1 ÚVOD ............................................................................................................................ 8 2 CÍL ................................................................................................................................. 9 3 SOLÁRNÍ ENERGIE .................................................................................................. 10 3.1 Původ solární energie ............................................................................................ 10 3.2 Dostupnost solární energie .................................................................................... 10 3.2.1 Zeměpisná šířka ............................................................................................. 11 3.2.2 Roční doba, čas .............................................................................................. 11 3.2.3 Oblačnost, znečištěné ovzduší ....................................................................... 12 3.2.4 Sklon a orientace plochy, na které sluneční záření dopadá ............................ 13 3.3 Přírodní podmínky v ČR pro využití solární energie ............................................ 15 3.4 Využití solární energie .......................................................................................... 16 3.4.1 Pasivní využití solární energie – solární architektury .................................... 16 3.4.2 Aktivní využití solární energie ....................................................................... 17 4 SOLÁRNÍ TERMICKÁ TECHNIKA ..................................................................... 18 4.1 Princip solární termické techniky ......................................................................... 18 4.2 Základní součásti kapalinového solárního systému a jejich popis ....................... 19 4.2.1 Solární kolektor.............................................................................................. 19 4.2.1.1 Zasklení ................................................................................................... 20 4.2.1.2 Absorpční plocha, absorbér..................................................................... 20 4.2.1.3 Trubkový registr solárního kolektoru ..................................................... 22 4.2.1.4 Skříň kolektoru ....................................................................................... 22 4.2.1.5 Rozdělení solárních kolektorů ................................................................ 22 4.2.1.6 Montážní sady kolektorů ........................................................................ 24 4.2.1.7 Kolektorové pole..................................................................................... 24 4.2.2 Zásobník tepla a výměník tepla ..................................................................... 25 4.2.3 Teplonosná kapalina kapalinových soustav ................................................... 26 4.2.4 Hnací sady solárního systému........................................................................ 26 4.2.5 Regulace solárního systému........................................................................... 27 4.3 Rozdělení solárních soustav.................................................................................. 27 4.4. Návrh kapalinového solárního systému u rodinných domů ................................. 27 4.4.1 Dimenzování solárního okruhu pro ohřev teplé užitkové vody (TUV) ......... 27 4.4.2 Dimenzování solárního okruhu pro ohřev bazénové vody ............................ 29 4.4.3 Dimenzování solárního okruhu pro podporu vytápění .................................. 29 5 VÝVOJ SOLÁRNÍCH SOUSTAV V ČESKÉ REPUBLICE ...................................... 31 6 METODIKA ................................................................................................................ 33 6.1 Vybraný solární systém ......................................................................................... 33 6.2 Popis domu ........................................................................................................... 33 6.3 Popis vybraného solárního systému ...................................................................... 33 6.4 Náklady na nákup a provoz vybrané solární soustavy .......................................... 34 6.4.1 Potřeba tepla na přípravu teplé vody a vytápění ............................................ 35 6.5 Teoretické měsíční zisky ze solárních kolektorů .................................................. 37 7 VÝSLEDKY A DISKUZE........................................................................................... 39 8 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 42 Použité zdroje ................................................................................................................. 43 Seznam tabulek ............................................................................................................... 44 Seznam obrázků .............................................................................................................. 44 Seznam fyzikálních vztahů ............................................................................................. 45 Seznam příloh ................................................................................................................. 45
1 ÚVOD Jednou z nejdiskutovanějších otázek současnosti je hrozba globálních změn klimatu. Je to jeden z nejzávažnějších problémů, se kterým se bude muset lidstvo v blízké budoucnosti vypořádat. Příčina těchto klimatických změn tkví i v oblasti využívání energie. Výroba a spotřeba energie mají vážný negativní vliv na životní prostředí, neboť produkují nejvíce emisí tzv. skleníkových plynů, které se vypouští do atmosféry. Pomocí skleníkových plynů sice dochází k přirozenému jevu ohřívání planety Země tzv. skleníkovému efektu, který umožňuje život na Zemi, ale koncentrace těchto plynů musí být v atmosféře velmi malá, neboť jejich schopnost pohlcovat teplo je obrovská. Proto i menší změna jejich koncentrace může mít významný vliv na změnu klimatu [11]. Během posledních přibližně 250 let člověk svou činností znatelně zvýšil tuto koncentraci skleníkových plynů v atmosféře, a to má za následek zesílení přirozeného skleníkového efektu a tím ovlivnění zemského klimatu tzv. globální oteplování. V České republice se toto ovlivnění klimatu projevuje nestabilním počasím, jako je změna průběhu ročních období, záplavy, extrémní sucho a jiné [11]. Proto bychom se měli snažit tuto koncentraci skleníkových plynů nějakým způsobem stabilizovat. K tomu by jistě napomohlo i větší využívání obnovitelných zdrojů energie. Obnovitelné zdroje energie jsou přírodní energetické zdroje, které mají schopnost částečné nebo úplné obnovy. Patří mezi ně sluneční, větrná a vodní energie a rovněž biomasa. Většina obnovitelných zdrojů energie má původ ve slunečním záření, kterého je na Zemi více než dost a jeho potenciál je téměř neomezený. Protože nám Slunce poskytuje energii zcela zdarma, je logické, že se musíme snažit tuto energii zachytit a využít.
8
2 CÍL Hlavním cílem této bakalářské práce je představit využití solární energie k ohřevu užitkové vody a vytápění rodinného domu. Úvod práce se věnuje slunečnímu záření, jeho původu, dostupnosti a možnostem využití. Je zde podrobně rozebrán a popsán solární kapalinový systém na využití slunečního záření pro ohřev vody a vytápění. V další části je schématicky znázorněn a popsán solární kapalinový systém na rodinném domě v Ivančicích. Tento systém zde zajišťuje celoročně ohřev vody, přitápění a v letních měsících je přebytek tepla ze solárního systému využíván na ohřev bazénové vody. Na tomto systému je provedena ekonomická analýza a vypočtena účinnost tohoto solárního systému. Veškeré výsledky výpočtů jsou zaznamenány a následně porovnány s konvenčním způsobem přípravy teplé vody a vytápění. Závěr práce je věnován celkovému zhodnocení výsledků.
9
3 SOLÁRNÍ ENERGIE
3.1 Původ solární energie
Země je součástí planetární soustavy, jejíž středem je Slunce. Slunce je naše nejbližší a zároveň nejdůležitější hvězda. Má tvar koule o průměru 139,2 · 104 km a hmotnost 1,98 · 1030 kg. [3] Je složeno převážně z atomového vodíku (70 %), helia (28 %) a z ostatních prvků periodické soustavy (2 %). Slunce, které září jako absolutně černé těleso, má povrchovou teplotu okolo 5 700 K [6]. Zdrojem energie Slunce je reakce, při které dochází k přeměně vodíku na helium tzv. termonukleární reakce = jaderná fúze [3]. Stáří Slunce podle dosud vzniklého množství helia lze odhadnout na 5 miliard let a předpokládá se, že jaderná fúze bude pokračovat ještě dalších 5 až 10 miliard let [6]. Sluneční energie vzniklá při jaderné fúzi je vyzařována do kosmického prostoru. Vzhledem k tomu, že při cestě k Zemi není energie ničím pohlcována, dopadá na hranici atmosféry v původní podobě, jak opustila Slunce. Jen dojde k tomu, že se celkový výkon vyzařovaný Sluncem rozptýlí na větší plochu [6]. Na jednotku plochy zemské atmosféry, která je kolmá ke směru slunečních paprsků, dopadá energie o velikosti přibližně 1 400 W/m2. Tato střední hodnota sluneční energie se nazývá sluneční konstanta [3]. Její přesná hodnota, která byla přijata v roce 1981 Světovou meteorologickou organizací (WMO), činí 1 367 W/m2 [6]. Toto množství energie se před dopadem na zemský povrch zmenší o část energie vyzářenou zpět do kosmu a o část energie vstřebanou při průchodu atmosférou. Na zemský povrch tak dopadá maximálně 1 000 – 1 200 W/m2 [6].
3.2 Dostupnost solární energie Solární energie je na Zemi dostupná prakticky všude. Existují však značné rozdíly v množství získané energie, které závisí na mnoha faktorech.
10
3.2.1 Zeměpisná šířka
Zeměpisná šířka má velký vliv na množství dopadajícího slunečního záření. Největší množství slunečního záření na Zemi dopadá v oblastech okolo rovníku a nejméně u pólů [10]. 3.2.2 Roční doba, čas
V důsledku pohybu Země kolem Slunce se mění množství dopadajícího slunečního záření. Tyto změny závisí na ročním i denním období. Během dne všeobecně platí, že nejvíce slunečního záření dopadá na Zemi během poledne, kdy je Slunce na obloze nejvýše. Cesta slunečního záření přes atmosféru je v tomto čase nejkratší a dochází k nejmenšímu rozptylu záření v atmosféře. V zimě, kdy je den kratší, Slunce je na obloze nízko a častější výskyt oblačnosti, dochází k výraznému omezení množství slunečního záření. Zatímco v létě, kdy je den delší, Slunce je vysoko a oblačnosti mnohem méně, množství sluneční energie několikrát stoupne. V letním období za jasného dne dopadne na plochu orientovanou na jih o velikosti 1 m2 přibližně 7 až 8 kWh sluneční energie a při oblačném počasí pouze 2 kWh. V zimě za slunného počasí dopadne na stejné místo jen 3 kWh a při oblačném počasí pak méně než 0,3 kWh sluneční energie [10]. Pro srovnání je v tabulce č. 1 uvedeno množství slunečního záření během celého roku v Praze (mírná, suchá pevninská oblast) a ve španělském městě Seville (subtropická, přímořská oblast).
11
Tabulka č.1 Množství slunečního záření dopadající v Praze a Seville v průběhu roku na vodorovnou plochu [10]. Suma záření na vodorovnou Měsíc
plochu [kWh/m2 na den] Praha
Sevilla
1.
0,77
2,47
2.
1,42
3,10
3.
2,42
4,61
4.
3,74
5,29
5.
4,83
6,78
6.
4,89
7,30
7.
5,06
7,11
8.
4,28
6,45
9.
2,86
5,13
10.
1,89
3,87
11.
0,81
2,51
12.
0,55
2,09
Roční průměr
2,8
4,73
3.2.3 Oblačnost, znečištěné ovzduší
Část záření se při cestě zemskou atmosférou odrazí a část se pohltí. Tuto ztrátu slunečního záření nejvíce ovlivňují mraky. Jsou-li mraky na obloze, klesne množství slunečního záření na méně než 200 W/m2 [10]. Dalším faktorem, který snižuje intenzitu slunečního záření, je znečištěné ovzduší. Míru snížení intenzity slunečního záření udává tzv. součinitel znečištění atmosféry Z. Hodnoty součinitele znečištění jsou mnohem menší na venkově než v průmyslových městech. Rovněž s přibývající nadmořskou výškou se tento součinitel zmenšuje [3]. V daném místě však není součinitel znečištění atmosféry Z stálý. Mění se vlivem počasí, výskytem exhalací i denní a roční dobou. Průměrné měsíční hodnoty součinitele znečištění atmosféry pro střední Evropu jsou uvedeny v tabulce č. 2 [3]
12
Tabulka č.2 Průměrný měsíční součinitel znečištění atmosféry [3]
Průměr měsíční hodnoty součinitele Z pro oblasti s rozdílnou čistotou ovzduší
Měsíc
průmyslové
horské oblasti
venkov
Města
1.
1,5
2,1
3,1
4,1
2.
1,6
2,2
3,2
4,3
3.
1,8
2,5
3,5
4,7
4.
1,9
2,9
4,0
5,3
5.
2,0
3,2
4,2
5,5
6.
2,3
3,4
4,3
5,7
7.
2,3
3,5
4,4
5,8
8.
2,3
3,3
4,3
5,7
9.
2,1
2,9
4,0
5,3
10.
1,8
2,6
3,6
4,9
11.
1,6
2,3
3,3
4,5
12.
1,5
2,2
3,1
4,2
roční průměr
1,9
2,75
3,75
5,0
oblasti
Využívání sluneční energie je v našich podmínkách nejvíce ekonomické především v místech s čistým ovzduším. Roční hodnota součinitele znečištění atmosféry by v takových oblastech neměla přesáhnout Z = 3. [3]
3.2.4 Sklon a orientace plochy, na které sluneční záření dopadá
Množství výkonu získaného ze slunečního záření značně závisí také na sklonu a orientaci plochy, na kterou sluneční záření dopadá. Ideální je plocha, která je kolmá k dopadajícím slunečním paprskům. Zde by se pak získal maximální výkon. To by však
13
v praxi znamenalo nutnost natáčet solární zařízení za Sluncem, což se dělá spíše výjimečně. Ideální sklon solárního zařízení v letním období je 30 °C, v zimním je 60 °C. Aby se získal optimální celoroční zisk, osazuje se solární zařízení většinou se sklonem 45 °C směrem k jihu [10]. V každém případě bez ohledu na sklon je množství získané energie v zimním období mnohem menší než v letním. Následující tabulka č. 3 udává množství záření v kWh v jednotlivých měsících, které dopadá na plochu 1 m2 pod různým úhlem od vodorovné roviny. Hodnoty jsou zpracované pro Prahu. Tabulka č.3 Sluneční záření dopadající v Praze v průběhu roku na nakloněnou rovinu [10]
Praha
Suma záření na nakloněnou plochu za měsíc
Měsíc
pod různým úhlem dopadu [kWh/m2]. 0°
15°
30°
45°
60°
75°
90°
Leden
23
27
32
34
35
36
36
Únor
40
47
53,5
58
60
60
57
Březen
82
93
101
104
103
99
90
Duben
110,5 121
127,5 129
120,3 108
91,5
Květen
153
165
172
170
150
124
94
Červen
168
177
181
176,5 158
126
92,5
Červenec 162
174
182
180
158
130
98
Srpen
132
145
153
154
144
127
106
Září
92
106
116
120
118
113
102
Říjen
45,3
57
65
70,5
74
74
70
Listopad
22
26,5 30,5
33
34
35
34,5
Prosinec
15,8
18,9 21
22
23
22,6 22,3
0°
15°
45°
60°
75°
30°
14
90°
3.3 Přírodní podmínky v ČR pro využití solární energie Pro získávání a využívání solární energie má Česká republika celkem příznivé podmínky, neboť doba slunečního svitu je zde přibližně 1 400 – 1 700 hodin za rok. Vzhledem k tomu, že na 1 m2 dopadne ročně průměrně 1 000 – 1 200 kWh energie, je možné na malé ploše získat poměrně velký výkon [5].
Obrázek č. 1 Průměrný roční úhrn doby trvání slunečního svitu [4]
V České republice jsou také určité rozdíly v klimatických podmínkách i přes to, že rozloha republiky je malá. Tyto rozdíly v klimatických podmínkách jsou způsobeny především různou nadmořskou výškou, rozdíly ve slunečním svitu i charakterem proudění. Rozdíly v množství dopadu slunečního záření v České republice však nejsou nějak výrazné, jak je patrno z následujícího obrázku č. 2. Nejpříznivější podmínky pro využití sluneční energie u nás jsou na jižní Moravě [5].
15
Obrázek č. 2 Průměrný roční úhrn globálního záření v kWh/m2 [4]
3.4 Využití solární energie Využití solární energie můžeme rozdělit na pasivní a aktivní. Pasivní využití představuje tzv. solární architektura, aktivní využití představují sluneční kolektory, které využívají sluneční záření [21].
3.4.1 Pasivní využití solární energie – solární architektury
Domy, které jsou stavěny na základě solární architektury, jsou navrhované tak, aby jejich konstrukce zachytila co nejvíce solárního záření. K tomu je přizpůsoben celý tvar domu [4]. Záření, které je pak zachyceno konstrukcí, je možné převést do vnitřních prostor domu a ušetřit tak 5 – 15 % energie, která je nutná k vytápění domu. U domů stavěných podle solární architektury jsou velké obytné místnosti orientovány k jihu a mají např. prosklené fasády, velká okna, velké prosklené stěny, zimní zahrady. Okna zde fungují jako zrcadla, která potlačují vyzařování z vnitřního skla na vnější. Okna mají trojitá zasklení plněná argonem nebo kryptonem se superizolovaným rámem. Plyny uvnitř zasklení potlačují tepelné ztráty prouděním. I v zimě propouští tato okna velké množství slunečních paprsků, získané teplo se akumuluje do hmoty stavby a využívá se
16
k přihřívání domu během večera. V takových domech pak není nutné topit až do večera, dokonce i během mrazivých dnů [21].
3.4.2 Aktivní využití solární energie
Pro aktivní využití solární energie se používají buď fotovoltaické kolektory, nebo termické kolektory. U fotovoltaických kolektorů se přeměňuje sluneční záření na energii elektrickou pomocí fotovoltaického jevu. U termických kolektorů dochází k výrobě tepelné energie, která slouží především k přípravě teplé užitkové vody, k vytápění a k ohřevu vody v bazénu. Aktivní využití slunečního záření je vždy ovlivňováno aktuálním počasím, a to především intenzitou slunečním zářením. Nevýhodou je, že nejvíce slunečního záření dopadá v létě, kdy ho je nejméně potřeba [21].
17
4 SOLÁRNÍ TERMICKÁ TECHNIKA 4.1 Princip solární termické techniky Principem tohoto typu solární techniky je přeměna sluneční energie v tepelnou energii tzv. fototermální přeměna. Je to jedna z nejjednodušších cest jak využít sluneční záření. Při fototermální přeměně je energie slunečního záření zachycena absorpční plochou kolektorů, která ji ve formě tepla předá teplonosné látce proudící v kolektoru. Teplonosnou látkou může být kapalina – kapalinové sluneční systémy nebo vzduch – vzduchové sluneční systémy. Teplonosná kapalina získané teplo dále odvádí buď přímo ke spotřebičům, nebo do zásobníku tepla, kde se skladuje [3]. V zásobníku tepla je voda, která získává teplo od teplonosné látky, a to nejčastěji pomocí povrchového výměníku. V tom případě se jedná o uzavřený kolektorový okruh, neboť nedojde ke smíšení vody a teplonosné látky. Kolektorový okruh může být i otevřený, a to pouze tehdy, je-li teplonosnou látkou voda. Teplonosná látka - voda, pak předá své teplo vodě v zásobníku ne přes výměník tepla, ale tím, že se s vodou v zásobníku přímo smísí. Otevřený kolektorový okruh může být nainstalován pouze u jednoduchých zařízení na ohřev užitkové vody (např. v bazénu) [3]. V okruhu kolektorů cirkuluje voda buď nuceně, pomocí oběhového čerpadla nebo přirozeně, pomocí rozdílu hustot díky různé teplotě. Přirozená cirkulace může nastat jen tehdy, je-li zásobník s výměníkem umístěn ve vyšší poloze než kolektor. Používá se jen u malých zařízení pro ohřev teplé vody. Většinou se používá nucené cirkulace, kde je zásobník umístěn v nejnižším místě a kolektor v nejvyšším místě nejčastěji na střeše domu [3]. Sluneční termické systémy jsou buď jednoduché (monovalentní), kde jediným zdrojem tepla jsou sluneční kolektory, nebo kombinované (bivalentní někdy i trivalentní), kde se kromě slunečních kolektorů využívá i jiného zdroje tepla. Jednoduchý systém se může používat pouze v letním období, kdy je dostatek slunečního záření, k ohřevu užitkové vody nebo k ohřevu vody v bazénu. Kombinované systémy se používají celoročně k ohřevu užitkové vody nebo k vytápění budov, neboť při nedostatku slunečního záření používají dalšího zdroje tepla jako např. elektrické tyče, kotel či tepelné čerpadlo [3].
18
4.2 Základní součásti kapalinového solárního systému a jejich popis Základní součástí solárního systému [3] jsou vypsány níže a zároveň znázorněni na obr. č. 3. 1. Sluneční kolektory (1) 2. Zásobník (akumulační nádoba) (5) 3. Oběhové čerpadlo (4) 4. Spojovací potrubí 5. Zabezpečovací zařízení (3) 6. Automatická regulace (6) 7. Montážní sada (2)
Obrázek č.3 Schéma solárního systému pro ohřev teplé vody [15]
4.2.1 Solární kolektor
Kolektor je hlavní součástí solárních systémů. Dojde zde ke vzniku tepla ze slunečního záření, kterým se zahřívá teplonosná kapalina. Kolektory jsou vystaveny všem nepříznivým vlivům proměnlivého počasí, proto je kladen vysoký důraz na jejich konstrukci, montáž i údržbu. Základním prvkem kolektoru je absorpční plocha, která pohlcuje sluneční záření. Jsou v ní nalisované kanálky nebo uloženy trubky s teplonosnou látkou, která odvádí teplo z kolektoru. Aby se snížily tepelné ztráty z absorbéru, je na přední straně kolektoru zasklení, které propouští sluneční záření. Na stranách kolektoru, které nepřijímají
19
sluneční záření, tedy na zadní straně a na bočních stranách, je uložen izolační materiál, který zamezuje nadměrnému ochlazování. Celý kolektor je uchycený v rámu [3].
Obrázek č. 4 Základní součásti solárního tepelného kolektoru (plochý) [6]
4.2.1.1 Zasklení
Zasklení slouží ke zmenšení tepelných ztrát a tím k zvětšení účinnosti kolektorů [3]. Na druhé straně však zasklení může snížit množství dopadajícího záření na absorbér a to odrazem a pohlcením ve vlastním materiálu. K efektivnímu využití slunečního záření je tedy nutná dokonalá propustnost skel. Proto se využívá skel s velmi nízkým obsahem oxidu železa tzv. nízkoželezné sklo, solární sklo, které pohlcuje nejméně slunečního záření [6]. Pro pouze letní provoz solárního systému postačí jedno krycí sklo, pro celoroční provoz by měly být krycí skla dvě. U plastových kolektorů, které se používájí v létě pro ohřev vody v bazénech, toto zasklení není. Vnější krycí sklo, které odolává vlivu počasí jako větru, sněhu, by mělo mít tloušťku nejméně 4 mm a zároveň musí dokonale těsnit. U vnitřního skla pak stačí tloušťka 2 -3 mm. Vzduchová mezera mezi jednotlivými skly je 1 – 2 cm [3]. 4.2.1.2 Absorpční plocha, absorbér
Absorpční plocha je hlavní funkční částí všech kolektorů. Absorbér se zahřeje pohlcením slunečního záření a teplo předává teplonosné kapalině. Absorbérem 20
kapalinových kolektorů je tenká deska z kovu s vysokou tepelnou vodivostí (měď, hliník), ve které jsou buď nalisované kanálky, nebo jsou zde trubky vsunuté do drážek desky, v kterých proudí teplonosná kapalina [3]. U jednoduchých kolektorů pro sezonní ohřívání užitkové vody nebo vody v bazénu, může být absorbér z plastu. Velice důležitý je povrch absorbéru. Rozlišujeme dva typy povrchů: a) Selektivní b) Neselektivní Oba tyto povrchy mají obdobnou absorbci, neboť zachytí až 95 % dopadajícího záření. Liší se však množstvím energie vyzářené zpět tj. emisemi. Neselektivní povrch vyzáří zpět přibližně 35 % zachycené energie, selektivní povrch pouze 5 - 10 % zachycené energie [15], což je názorně ukázáno na obr. č. 5.
Obrázek č. 5 Princip selektivního a neselektivního absorbéru [16]
Neselektivní povrch je tvořen černou matnou barvou. Tyto nátěry musí být odolné jak při normálních provozních podmínkách, tak i při vyšších teplotách, které se mohou vyskytnout,
je-li
zařízení
v klidu.
Vhodné
jsou
nátěry vypalovacími
nebo
polovypalovacími syntetickými či silikonovými laky [3]. Tyto kolektory jsou podstatně levnější a používají se především pro sezonní ohřev (např. vody v bazénu) [15]. Selektivní povrch je tvořen vrstvou oxidu titanu nebo jiné vhodné látky (např. nikl, chrom), která je vakuově nanesena na kovový povrch absorbéru. Jejich cena je výrazně vyšší, neboť vytvoření takového povrchu se provádí pomocí náročné technologie nanášení vrstev. Tyto kolektory se však mohou využívat celoročně a to i k podpoře vytápění [16].
21
4.2.1.3 Trubkový registr solárního kolektoru
Trubkový registr solárního kolektoru je síť trubek, ve které cirkuluje teplonosná kapalina. Tato síť trubek může být různě uspořádána např. do tvaru H, U (tzv. lyra), S či M (tzv. melandr). Uspořádání registru trubek výrazně nesnižuje ani nezvyšuje účinnost kolektorů, ale výrazně ovlivňuje zapojení kolektorů do kolektorových polí [15].
Obrázek č. 6 Způsob uspořádání registru trubek [6]
4.2.1.4 Skříň kolektoru
Skříň kolektoru tvoří vnější obal, který chrání kolektor před vnějšími nepříznivými vlivy. Musí odolávat korozi a slunečnímu záření. Skříň tvoří nosnou konstrukci, ke které jsou upevněny všechny části konektoru (zasklení, absorbér s trubkovým registrem, izolace). Může být tvořena buď samonosným rámem, který svírá funkční části po obvodu nebo výliskem ve formě kovové, výjimečně plastové vany, do které jsou všechny části kolektoru vloženy [6]. 4.2.1.5 Rozdělení solárních kolektorů
Solární kapalinové kolektory lze obecně rozdělit na: a) Kolektory ploché – deskové: zde je absorpční deska stejně velká jako čelní plocha, kterou procházejí sluneční paprsky. b) Kolektory koncentrující – na absorpční desku prochází sluneční paprsky pomocí odrazné plochy (zrcadel, čoček). Absorpční plocha je menší než čelní plocha. Lze zde dosáhnout mnohem vyšších teplot teplonosné tekutiny.
22
c) Kolektory vakuované – zde může být absorpční plocha plochá nebo je vložena do vakuované skleněné trubice, tím se výrazně zmenší tepelná ztráta do okolí. Tento druh kolektoru je schopen zachycovat i záření o velmi malé intenzitě [3]. Ploché kolektory se dále rozdělují na: - ploché nekryté kolektory: jedná se většinou o plastovou rohož bez zasklení. Sice zde odpadá ztráta odrazem na zasklení, ale i přes to vykazuje kolektor vysoké tepelné ztráty, které jsou ovlivňovány povětrnostními podmínkami. Jsou vhodné pro sezónní ohřev bazénové vody. - ploché atmosférické kolektory: jsou to deskové zasklené kolektory většinou s kovovým absorbérem, který může být buď celoplošný (tvořený jedním plechem), nebo dělené (tvořené lamely). Jsou určeny pro celoroční ohřev vody i k podpoře vytápění [6]. Vakuové kolektory lze rozdělit na: - Ploché vakuové kolektory: tyto kolektory mají uvnitř vakuum, které omezí volnému proudění vzduchu mezi absorbérem a zasklením a tím zajistí nízké tepelné ztráty. Rám kolektoru musí být velice těsný, proto je vytvořen z bezešvé vany (výlisku). Je určen pro celoroční ohřev vody a k vytápění [6]. - Trubicové vakuované kolektory: absorbční plocha je vložena do skleněných trubic. Jako tepelnou izolaci využívají vakuum, vytvořené mezi dvěma skleněnými trubicemi. Vnitřní strana trubice je potažena vysoce selektivní absorpční vrstvou. Získané teplo se pomocí speciálních hliníkových lamel odvádí do měděných trubiček, ve kterých proudí ohřívaná kapalina. Tepelné ztráty trubicových kolektorů jsou díky tomu velice malé a kolektory mohou získávat teplo i při velmi slabém slunečním záření a nebo při extrémních teplotách (nízká teplota vzduchu a vysoká teplota ohřívané látky) [6].
Obrázek č. 7 Deskový kolektor,vakuový trubicový kolektor [15]
23
4.2.1.6 Montážní sady kolektorů Kolektory se při montáži připevňují k nosné konstrukci. Tato konstrukce musí být dostatečně dimenzována, aby odolala i zvýšené zátěži kolektorů např. při sněhové pokrývce, silném větru. Kolektory se instalují pomocí montážních sad, a to nejčastěji na šikmou střechu nebo na rovnou plochu. Méně často se kolektory instalují do střechy nebo na fasádu domu. Montážní sady jsou vyrobeny z hliníkových profilů nebo žárově pozinkovaných ocelových profilů a liší se podle typu kolektoru. Upevňovací prvky (háky, vruty, zatěžovací bloky) se volí podle krytiny střechy [15].
4.2.1.7 Kolektorové pole
Abychom získali potřebnou energii, musíme kolektory navzájem propojit do větších celků do tzv. kolektorových polí. Jednotlivé kolektory řadíme buď do série – za sebou, nebo paralelně – vedle sebe. Kolektory mohou být umístěny v jedné rovině např. při umístění na šikmé střeše nebo v několika rovnoběžných řadách za sebou např. při umístění na vodorovné střeše [3]. U propojení se sčítají přírůstky teplot u jednotlivých kolektorů, takže v celé sérii postupně stoupá teplota, ale zároveň se však snižuje účinnost kolektorů. Každý kolektor má při sériovém zapojení stejný průtok kapaliny. Jednotlivé hydraulické odpory se sčítají, takže celková ztráta tohoto kolektorového pole je značná. Proto se doporučuje řadit do série nejvýše 6 kolektorů [7]. Pokud zapojujeme více kolektorů nebo není možné sériové zapojení, použijeme paralelní zapojení. U paralelního řazení je ve všech kolektorech stejná teplota a tím i stejná účinnost [3]. Kapalina protéká jednotlivými kolektory postupně. Je zde však nutné zabezpečit stejný průtok solární látky jednotlivými kolektorovými poli. Někdy je nutné na každé pole vložit hydraulický vyvažovací ventil [15].
24
4.2.2 Zásobník tepla a výměník tepla
Důležitými součástmi solárního systému jsou zásobníky tepla, kde se teplo akumuluje a výměníky tepla, kterými se teplo předává. Zásobníky tepla podle použití dělíme na ohřívače pitné vody, ve kterých se přes výměník ohřívá studená voda z vodovodního řádu a na akumulační zásobníky, ve kterých se teplo ze solárního okruhu předává otopné vodě. [15] Pro ohřev pitné vody se používají monovalentní nebo bivalentní zásobníky. Monovalentní zásobníky se instalují tehdy, jestliže chceme stávající topné zařízení doplnit solárním systémem. Ohřev vody probíhá přes tepelný výměník, který má spirálový tvar a je umístěn u dna nádoby. Při montáži zcela nového topného zařízení se pro ohřev pitné vody instalují bivalentní zásobníky, které mají dva tepelné výměníky ve tvaru spirály nad sebou. Horní výměník ohřívá vrchní polovinu zásobníku na nastavenou teplotu (50 – 60 0C) a je připojen na další zdroj tepla (např. kotel). Spodní výměník je připojen na solární okruh a ohřívá celý zásobník na vyšší teploty dle nastavení (až na 90 0C). Pokud se použije toto zapojení, je nutné na výstup teplé vody ze zásobníku umístit třícestný ventil, který zabrání opaření na odběrných místech [15]. Akumulační zásobník je nahříván pomocí výměníku ze solárního zařízení a výměníkem z dalšího zdroje tepla (např. plynový kotel). Často se používají kombinované solární zásobníky, které umožňují jak akumulovat teplo pro vytápění, tak ohřívat pitnou vodu. Pitná voda protéká tepelným výměníkem, který je zabudovaný v zásobníku, a tím se ohřívá [17]. Musí zde být rovněž možnost připojit další zdroj tepla, aby se mohly vyrovnávat výkyvy dodávky tepla u solárních systémů [15]. Zásobníky můžeme také rozdělit podle konstrukce na tlakové a beztlakové. Tlakové zásobníky jsou chráněny proti zvýšení tlaku při objemových změnách vody vlivem teplotní roztažnosti expanzní nádobou, která tlak pomocí membrány vyrovnává [19]. U beztlakových zásobníků se změna tlaku projeví změnou hladiny vody. Výměníky tepla zprostředkovávají výměnu tepla mezi kolektorem a zásobníkem, kdy se teplo do zásobníku přivádí, a mezi zásobníkem a spotřebiči, kdy se teplo ze zásobníku odvádí. Oddělují solární systém od vodovodní či otopné soustavy, aby nedošlo ke smíchání nemrznoucí solární látky a vody. Výměníky tepla jsou buď do zásobníku přímo vloženy, nebo jsou umístěny mimo zásobník. Jsou-li výměníky do zásobníku 25
vloženy, musí podporovat přirozenou cirkulaci vody v zásobníku. Teplonosná kapalina uvnitř výměníku musí proudit v opačném směru než proudí voda v zásobníku. Nejčastěji se používají výměníky se žebrovanými trubkami nebo tzv. lamelové výměníky složené z tenkých dutých desek [3]. Aby výměník přenesl plný výkon kolektorového pole při minimálním rozdílu, musí být dostatečně dimenzovaný.
4.2.3 Teplonosná kapalina kapalinových soustav
U jednoduchých kapalinových soustav, které se používají jen pro sezonní ohřev vody, se nejčastěji používá čistá voda. Její výhodou pro přenos tepla je její velká měrná tepelná kapacita c= 4187 kJ/kg.K, velká tepelná vodivost a malá viskozita. Je chemicky stálá, neagresivní a hygienicky nezávadná. Nevýhoda je malý rozsah teplot pro kapalné skupenství od bodu tuhnutí 0 0C do bodu varu 100 0C [3]. U kapalinových celoročně provozovaných solárních soustav se používají nemrznoucí směsi. Musí mít nejnižší bod tuhnutí, co nejvyšší bod varu, musí být chemicky stálá a nesmí zatěžovat životní prostředí. Těmto požadavkům nejvíce vyhovují vodní směsi propylenglykolu. Ředí se vodou podle požadované teploty tuhnutí cca okolo -30 0C. Při této koncentraci mají tepelnou kapacitu cca 3,477 kJ/kg.K a několikanásobně vyšší viskozitu než voda [15].
4.2.4 Hnací sady solárního systému
Pro správnou funkci solárního systému jsou nutné hnací sady, které tvoří vzájemně propojená hydraulický celek. Hnací sada se obvykle skládá z oběhového čerpadla, které pracuje podle teploty vody, zpětné klapky pro zabránění zpětné cirkulace, průtokoměru se škrtícím ventilem pro přesné nastavení průtoku, kulových kohoutů s integrovanými teploměry a pojistného ventilu s možností připojení expanzní nádoby. Hnací sady jsou buď jednotrubkové nebo dvoutrubkové. Všechny části jsou zaizolovány snímatelnou izolací z tvrdé polyuretanové pěny [15].
26
4.2.5 Regulace solárního systému
Celý provoz solárního systému řídí elektronická regulace. Jejím hlavním úkolem je řídit spínání a vypínání čerpadel [17]. Regulace pracuje pomocí čidel, které jsou umístěné na různých místech systému a postupně vyhodnocují jednotlivé požadavky. Jsou vybaveny přehledným grafickým displejem. Existuje několik různých druhů regulací, které se liší podle složitosti systému (podle množství vstupů a výstupů) [15].
4.3 Rozdělení solárních soustav Solární soustavy můžeme rozdělit podle velikosti kolektorové plochy na: a) Malé solární soustavy (do 20 m2) b) Střední solární soustavy (od 20 m2 do 200 m2) c) Velké solární soustavy (nad 200 m2) Solární soustavy můžeme také rozdělit podle průměrného průtoku teplonosné kapaliny: a) S nízkým průtokem tzv. low flow soustavy (10 – 15 l za hodinu na m2) b) S vysokým průtokem tzv. high flow soustavy (50 -75 l za hodinu na m2) c) S proměnlivým průtokem tzv. matched flow (10 – 75 l za hodinu na m2) [19]
4.4. Návrh kapalinového solárního systému u rodinných domů Před návrhem solárního systému je nutné si nejdříve ujasnit, pro co všechno chceme solární systém využívat. U rodinných domů se solární soustavy používají pro: a) Pro přípravu teplé vody b) Ohřev bazénové vody c) Pro přípravu teplé vody a podporu vytápění 4.4.1 Dimenzování solárního okruhu pro ohřev teplé užitkové vody (TUV) Nejběžnější způsob využití sluneční energie je ohřev teplé užitkové vody (dále jen TUV). A to i z hlediska rychlé návratnosti celé investice.
27
Postup návrhu: a) Určit spotřebu TUV: pro určení spotřeby TUV lze použít následující hodnoty: -
Nižší spotřeba TUV 35 - 40 l na osobu a den (např. starší lidé, jen sprchové kouty)
-
Střední spotřeba TUV 50 l na osobu a den (např. rodiny s dětmi, normální vany)
-
Vysoká spotřeba TUV 75 l na osobu a den (např. nadstandardní vybavení koupelen)
b) Určit velikost zásobníku: pro menší objekty platí zásada, že objem solárního zásobníku by měl odpovídat cca 1,5 -násobku denní spotřeby TUV. V zásobníku = 1,5 · (počet osob) · (spotřeba TUV na osobu) c) Určit počet kolektorů: počet kolektorů se orientačně určí dle velikosti zásobníku, a to 1 kolektor (cca 2 m2) na 100 l objemu zásobníku.[15] Nejčastější varianty solární soustavy pro TUV: -
S předehřívacím solárním zásobníkem: solární zásobník je předřazen konvenční přípravě TUV
-
S bivalentním solárním zásobníkem: solární zásobník má vestavěný dodatkový zdroj tepla [19]
Obrázek č. 8 Schéma solární přípravy TUV pro rodinný dům: vlevo s předehřívajícím zásobníkem, vpravo s bivalentním zásobníkem [19]
28
4.4.2 Dimenzování solárního okruhu pro ohřev bazénové vody
Solární ohřev bazénové vody je dalším velice využívaným solárním systémem, který má velmi dobrou návratnost počáteční investice. Tepelné zisky solární soustavy kryjí tepelné ztráty bazénu (především odparem) a spotřebu tepla na ohřev přiváděné vody. Nejčastější varianty solární soustavy pro ohřev bazénové vody: -
kolektory s levnými nezasklenými plastovými absorbéry
-
zasklené kolektory se selektivním absorbérem: ohřev bazénové vody probíhá vždy přes bazénový výměník, který musí být dostatečně nadimenzovaný [15].
Obrázek č. 9 Jednoduché schéma ohřevu bazénové vody [19]
4.4.3 Dimenzování solárního okruhu pro podporu vytápění
Solární systém v našich podnebných podmínkách se nedá využívat pro plnohodnotné vytápění, ale pouze jako jeho podpora. Proto se využívají kombinované solární systémy jak pro ohřev TUV, tak pro podporu vytápění. Nejčastější varianty kombinované solární soustavy: -
se dvěma solárními zásobníky: solární zásobník teplé vody, otopné vody
-
s centrálním solárním zásobníkem tepla: jde o solární zásobník otopné vody s přípravou teplé vody přes dodatečnou teplosměnnou plochu, kterou může být: vestavěný zásobník teplé vody v solárním zásobníku, průtočný výměník vestavěný v solárním zásobníku, externí deskový výměník pro průtokový ohřev vody. [19]
29
Obrázek č. 10 Schéma solární kombinované soustavy s centrálním zásobníkem tepla [19]
30
5 VÝVOJ SOLÁRNÍCH SOUSTAV V ČESKÉ REPUBLICE
Vývoj solárních soustav v České republice započal koncem 70. let 20. století v tehdejší ČSSR. Hned od počátku vývoje byl hlavním odběratelem solární techniky sektor zemědělství. Sériově vyráběné typy kolektorů se na našem trhu poprvé objevily v roce 1978 a již začátkem 80. let byl o solární techniku takový zájem, že tehdejší výroba nestačila krýt poptávku. Protože však pořizovací náklady solárních systémů byly značně vysoké a velkoobchodní cena elektřiny a paliv se snižovala, tento zájem koncem 80. let značně stagnoval. Po roce 1989 se na českém trhu objevily nové firmy jak české, tak i zahraniční, které zásobovaly trh velkým množstvím solárních soustav různých typů. Zájem o tuto techniku pozvolna opět rostl. Několikanásobnému navýšení zájmu o tuto techniku došlo až v letech 2009 - 2010, a to díky programu Zelená úsporám, který poskytoval zájemcům o tuto techniku státní dotace. Dnes jsou tyto dotace pozastaveny [2]. Solární soustavy od 70. let 20. století po současnost zaznamenaly obrovský vývoj. První solární systémy byly pouze na amatérské úrovni a sloužily spíše jen k propagaci myšlenky [2]. Absorbéry prošly vývojem od textilních absorbérů, umělohmotných hadic, přes gumové hadičky až po současné využití umělohmotných tuhých průtočných hadic. [20] Ve výrobě kolektorů se začalo se zasklíváním deskových radiátorů. Místo skla se používala i polyetylenová folie, která však vlivem tepla absorbérů měnila tvar a ničila se. Aby folie držela stále rovinu, zatavovalo se do ní z obou stran šestihranné pletivo. Až později se začal vyrábět nový prototyp kolektorů se speciálním absorbérem ze svařovaných trubek. Takový kolektor byl mnohem dokonalejší a lehčí. Rámy kolektorů se vyráběly z kovu, ze dřeva i z desek PVC. Na počátku vývoje solární techniky nebyla vyvinuta nemrznoucí směs, a tak solární systémy pracovaly pouze s vodou. Proto mohly být využívány pouze od jara do podzimu, jinak by voda zmrzla a mohla systém poničit. Později se vyvinuly nemrznoucí směsi, které však byly částečně toxické, což znamenalo značné riziko. Aby se nemrznoucí směs nemohla při poruše topné vložky dostat do domovního řádu, musel být vždy v ohřívači teplé užitkové vody tlak z venkovního vodovodu vyšší a v kolektorovém okruhu nižší. Pak, kdyby došlo k poruše topné vložky, voda z ohřívače by pronikla do kolektorového rozvodu a přes pojišťovací ventil ven. První oběhová čerpadla kolektorového okruhu se musela zapínat ručně, teprve později pomocí automatické regulace. Postupem vývoje se začala zkoumat sluneční energie, a to především velikost slunečního záření v různém časovém období a 31
na různém místě, vliv znečištěné atmosféry, oblačnosti a nadmořské výšky na získané množství sluneční energie, optimalizovala se orientace a sklon kolektorů. Začaly vznikat první sluneční počítačové programy [20]. Mezi první největší výrobce solárních soustav v České republice (tehdy ještě ČSSR) patřily Okresní podnik Kroměříž, Závod Slovenského národního povstání v Žiaru nad Hronom a Elektrosvit Nové Zámky. Každý výrobce přinesl na trh vlastní typ slunečního kolektoru. V Kroměříži se vyráběly kolektory s absorbérem z měděného plechu, v Žiaru nad Hronom využívali absorbér z hliníkových průtočných lamel a v Nových Zámkách používaly ocelový absorbér svařený ze dvou desek. Mezi historicky první významné solární akce můžeme zařadit dodnes funkční solární systém pro přípravu teplé vody v Kojetíně, kde bylo v roce 1976 nainstalováno celkem 140 ks kolektorů z Kroměříže s celkovou plochou 120 m2 pro ohřev 2 · 4000 l vody [20].
32
6 METODIKA 6.1 Vybraný solární systém Vybraný systém solární soustavy je nainstalován na rodinném domě v Ivančicích okres Brno-venkov. Tento solární systém slouží k celoročnímu ohřevu teplé vody, k podpoře vytápění rodinného domu a k sezónnímu ohřevu bazénové vody.
6.2 Popis domu Jde o samostatně stojící novostavbu rodinného domu s jedním nadzemním podlažím, bez sklepů, s půdním prostorem a stanovou střechou. V obytné části je 5 pokojů, kuchyň, koupelna s WC, samostatné WC a šatna. Na obytnou část navazuje technická místnost a garáž, ve které je umístěna strojovna solárního systému a vytápění. V domě bydlí 5 lidí. Vytápění domu je teplovodní kombinované, převážně podlahové (podlahová vytápěná plocha je 157,3 m3), doplněné otopnými tělesy. Zdrojem tepla v domě jsou dvě elektrické topné tyče o výkonu 2 · 7,5 kW = 15 kW, které jsou nainstalované v akumulačním zásobníku topné vody. Druhým zdrojem tepla je teplovodní krbový výměník umístěn také v akumulační nádobě. Teplá voda je připravována pomocí průtokového ohřívače teplé vody o objemu 4 litry, který je vnořen do zásobníku topné vody. V domě jsou standardní spotřebiče teplé vody – vana, sprcha, umyvadlo, dřez [1].
6.3 Popis vybraného solárního systému Na šikmé střeše pod úhlem 30 0C směrem na jih je nainstalováno 6 kusů solárních kolektorů – typ FSC 24 firmy 4T. [14] Jedná se o plochý (deskový) kolektor s měděným absorbérem. Povrch absorbéru je selektivní s TiNox vrstvou. Rovněž trubky absorbéru jsou z mědi a jsou uspořádány do U tzv. Lyra. Rám kolektoru je vyroben z hliníku. Plocha kolektoru má velikost 2,37 m2, absorbční plocha 2,14 m2. Maximální pracovní teplota kolektoru byla stanovena na 202 0C, max. tlak na 10 baru. Optimální průtok kolektoru je nastaven na 200 l/ hod. Hmotnost kolektoru činí 45 kg. Kolektor je vhodný pro celoroční provoz. Kolektory na střeše jsou do kolektorového 33
pole zapojeny sériově. Celková plocha absorbéru je 6 m · 2,14 m = 12,84 m2. Součástí solárního systému je akumulační zásobník s průtokovým ohřívačem teplé vody typ Delta 750 firmy 4T a.s. [12] Akumulační zásobník má objem 720 l a objem průtokového ohřívače teplé vody je 4 l. V akumulačním zásobníku je uložen topný had, který je propojen měděným potrubím s instalovanými kolektory. Tento primární solární okruh je naplněn 2 · 25 l nemrznoucí směsí značky Agrimex. Dále je zde nainstalována hnací sada dvoutrubková, jednotrubková s teploměrem a manometrem a bazénový výměník. Dvoutrubková hnací sada má jednu trubku rozváděcí od kolektoru, druhou vratnou od spotřebiče s čerpadlem. Na rozváděcí trubici je nainstalována automatická odvzdušňovací armatura. Hnací systém dále obsahuje uzávěry, teploměry a zabezpečovací zařízení. Zabezpečovací zařízení se skládá z expanzní nádoby o objemu 35 l a tlaku 8 barů a z pojistného ventilu. Potrubní rozvody jsou realizovány z měděného potrubí. Všechny rozvody jsou tepelně izolovány návlečnou izolací. Ohřívač teplé vody v akumulačním zásobníku je napojen na rozvod studené pitné vody. Teplá užitková voda je v případě potřeby dohřívána pomocí vestavěné elektrické topné tyče v akumulačním zásobníku, která slouží zároveň jako zdroj tepla pro vytápění domu, a nebo pomocí teplovodní krbové vložky. Solární akumulační zásobník topné vody je dále propojen potrubím s čerpadlem se systémem vytápění domu. V případě nahřátí zásobníku a v případě požadavku na vytápění domu dojde k přenosu tepla do topné soustavy (do podlahového topení a do otopných těles). V případě nedostatku solární energie dodají teplo do otopného systému vestavěné elektrické tyče nebo teplovodní krbová vložka. Přebytečná solární energie v letních měsících je využita pro ohřev bazénu. Chod celého solárního systému zajišťuje řídící jednotka solárního systému typ STECA TR 603. [13] Jedná se o regulátor pro složitější systém, který pomocí různých teplot ze 6 teplotních čidel umožňuje řízení 3 zdrojů (solární čerpadlo, bazénové čerpadlo, záložní zdroj tepla) [1]. Schéma zapojení je zobrazeno v příloze č. 4 a fotodokumentace jsou zobrazeny v příloze č. 5
6.4 Náklady na nákup a provoz vybrané solární soustavy Při výpočtu nákladů na nákup solární soustavy je nutné počítat se všemi výdaji spojenými s nákupem a instalací solární soustavy. Do výdajů patří již cena projektu 34
solárního zařízení, dále cena jednotlivých prvků solárního systému, cena potřebného materiálu k instalaci, cena dopravy a montáže. Tyto výdaje se samozřejmě liší především podle typu instalovaného solárního systému a podle způsobu kotvení nosných konstrukcí [18]. Provozní náklady solární soustavy zahrnují náklady na pomocnou energii pro pohon solární soustavy a servisní náklady na údržbu zařízení a případné opravy. Náklady na pomocnou energii se u rodinných domů pohybují mezi 3 % - 5 % z tepelných zisků. Orientačně se mohou tyto náklady vypočítat i pomocí průměrně odpracovaných hodin solárního systému (průměrně 1 500 – 2 000 hodin za rok), spotřeby hnací sady za hodinu a ceny za jednotku elektrické energie. Servisní náklady na údržbu a opravy solárního zařízení za rok se odhadují ve výši 0,3 – 0,5 % z investičních nákladů na pořízení solárního systému (bez dotace) [18]. Je doporučené přibližně po 5 letech vyměnit solární kapalinu, po asi 10 letech oběhové čerpadlo a po 15 letech vyměnit zásobník tepla. (Jsou to pouze doporučené časy výměny, životnost je většinou mnohem delší) [18]. Do nákladů na nákup konvenčního způsobu ohřevu užitkové vody a vytápění je nutné zahrnout cenu elektrického kotle, elektrického ohřívače vody, armatur a trubek k připojení a do nákladů na provoz tohoto zařízení pak zahrnout veškeré množství elektrické energie, které je potřeba k ohřevu užitkové vody a vytápění. Ke správnému porovnání investice na solární systém s investicí na konvenční způsob ohřevu vody a vytápění, je nutné vypočítat předběžné zisky ze solárního zařízení a přibližnou dobu návratnosti těchto investic. Při výpočtu solárních tepelných zisků dané solární soustavy se musí nejprve stanovit potřeba tepla na přípravu teplé vody a potřeba tepla na vytápění.
6.4.1 Potřeba tepla na přípravu teplé vody a vytápění
Celková potřeba tepla na přípravu teplé vody Qp,TV [kWh] v jednotlivých měsících se stanovuje jako potřeba tepla na ohřev vody včetně zahrnutí tepelných ztrát [8].
35
K výpočtu lze použít vztah č. 1 :
(8)
n
počet dní v měsíci průměrná denní spotřeba teplé vody za den v hustota vody (999,97 kg/
c
(200 l =0, 200 m3)
) [9]
měrná tepelná kapacita vody (4 180 J/kgK) [9] teplota studené vody, uvažovaná 15 0C teplota teplé vody, uvažovaná 60 0C
z
přirážka na tepelné ztráty související s přípravou vody viz. tabulka č. 4
Tabulka č.4 Přirážka na tepelné ztráty: [8]
Typ přípravy TV
Z
Rodinný dům, průtokový ohřev
0,00
Rodinný dům, zásobníkový ohřev bez cirkulace
0,15
Rodinný dům, zásobníkový ohřev s řízenou cirkulací
0,30
Celková měsíční potřeba tepla na vytápění za měsíc
[kWh] byla stanovena podle
výsledků projektové dokumentace na vytápění domu, kterou předložil majitel. [1] Celková měsíční potřeba tepla
[kWh] na přípravu teplé vody a vytápění se vypočítá
podle vztahu č. 2
Qp,c= Qp,TV + Qp,VYT
(8)
36
6.5 Teoretické měsíční zisky ze solárních kolektorů Teoretický měsíční využitelný zisk ze solárních kolektorů Qk,u [kWh] se vypočítá podle vztahu č. 3 Qk,u = 0.9 · ηk · η · Ht · Ak · (1 – p )
(8)
průměrná denní účinnost solárního kolektoru počet dní v měsíci skutečná denní dávka slunečního záření pro sklon 30 0C, orientace na jih viz. příloha č. 2 plocha absorbéru - 12,84 m2 hodnoty srážky tepelných zisků z kolektoru vlivem tepelných ztrát solární soustavy (rozvody, solární zásobník) – 0,15 Některé hodnoty srážek jsou uvedeny v tabulce č. 5 Tabulka č. 5 Srážka z tepelných zisků ze solárních kolektorů vlivem tepelných ztrát [8]
Typ solární soustavy Bazén, ohřev bazénové vody
0,01
Rodinný dům, příprava teplé vody
0,05
Rodinný dům příprava teplé vody a vytápění 0,15 Průměrná denní účinnost solárního kolektoru se stanoví podle vztahu č. 4
(8)
je optická účinnost, u typu kolektoru FSC 24 dle výrobce 0,78 lineární součinitel tepelné ztráty kolektoru, typ kolektoru FSC 24 dle výrobce 3,263 W/m2K kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru, typ kolektoru FSC 24 dle výrobce
37
0,0132 W/m2K2 střední denní sluneční ozáření uvažované plochy solárních kolektorů pro sklon 30 0C orientované na jih viz. příloha č. 3 průměrná venkovní teplota v době slunečního svitu ve 0C viz. příloha č. 1 průměrná teplota teplonosné kapaliny v solárních kolektorech v průběhu dne, hodnota se stanoví podle typu aplikace – 50 0C Hodnoty jsou uvedeny v tabulce č. 6 Tabulka č. 6 Průměrná teplota v solárních kolektorech [8]
Typ aplikace 30 0C
Ohřev bazénové vody
Předehřev teplé vody, dimenzování do pokrytí 35% 35 0C Příprava teplé vody, pokrytí do 70 %
40 0C
Příprava teplé vody a vytápění
50 0C
Využitelné zisky solární soustavy Qss,u [kWh] se stanoví jako minimální hodnotu z teoretických tepelných zisků solárních kolektorů a celkové potřeby tepla v jednotlivých měsících. Qss,u
min (Qk,u, Qp,c)
Z celkových měsíčních potřeb tepla Qp,c a z využitelných zisků solární soustavy Qss,u je dále možné určit solární pokrytí (solární podíl)
[%] ze vztahu č. 5
(8)
38
7 VÝSLEDKY A DISKUZE U vybraného solárního systému činili náklady za projekt solárního zařízení, dodávku a provedení solárního systému dle předložené faktury 259 681 Kč. Další nákladem byly dle sdělení majitele 4 000 Kč za dokumentaci k žádosti na státní dotaci. Celková investice byla ponížena o státní dotaci v programu Zelená úsporám, a to o 85 000 Kč. Celkové náklady na nákup vybrané solární soustavy činily 178 681 Kč. Roční náklady na provoz této solární soustavy činí po zaokrouhlení 500 Kč, což je v přepočtu na celý rok zanedbatelná částka. Tato částka je stanovena z maximálního počtu hodin, kdy solární systém pracuje, což činí maximálně 2 000 hodin za rok a ze spotřeby elektrické energie čerpadel, která je průměrně 60 W/hod. Cenu za 1kWh = 3,77 Kč je určena z poslední faktury za elektrickou energii, kterou předložil majitel. Náklady na údržbu a opravy nebyly doposud žádné. Náklady na pořízení konvenčního způsobu ohřevu vody a vytápění byly dle předloženého projektu stanoveny na 51 000 Kč. [1]. V ceně je zahrnut elektrický kotel, elektrický ohřívač vody, regulace, armatura a instalace. V porovnání s náklady na solární zařízení jsou náklady na konvenční způsob 3,5 krát nižší. V nákladech na roční provoz je však tento způsob mnohem dražší než solární systém, jak je vidět v dalších výpočtech. Při výpočtu celkového tepla potřebného k ohřevu teplé vody je vycházeno z těchto údajů: -
v domě s vybraným solárním systémem žije 5 osob. Denní spotřeba teplé vody činí dle majitele přibližně 40 l na osobu, což je celkem 200 l na den. Během roku se tato spotřeba nemění
Při výpočtu celkového tepla potřebného k vytápění domu jsou brány v úvahu údaje, které jsou uvedeny v projektu na vytápění, které předložil majitel domu. Při výpočtu denní účinnosti a teoretického měsíčního zisku dané solární soustavy jsou použity údaje z tabulek, které jsou vloženy buď přímo do práce, nebo do přílohy. Veškeré výsledky výpočtů jsou uvedeny do tabulky č. 7.
39
Tabulka č. 7 Výsledky výpočtů Měsíc
N
Qss,u
Dny
°C
W/m2
-
kWh/m2
kWh/m2
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
1
31
1,7
356
0,25
1
31
76
324
2461
2785
76
2
28
2,8
434
0,36
1,81
50,6
179
293
2074
2367
179
3
31
7,0
506
0,46
3,07
95,1
430
324
1947
2271
430
4
30
12,0
529
0,51
3,99
119,6
599
313
1291
1604
599
5
31
17,2
543
0,56
5,02
155,7
856
324
809
1133
856
6
30
20,2
546
0,58
5,55
166,4
948
313
0
313
313
7
31
22,1
538
0,59
5,41
167,8
972
324
0
324
324
8
31
21,8
526
0,59
4,80
148,8
862
324
0
324
324
9
30
18,5
501
0,55
3,86
115,7
625
313
646
959
625
10
31
13,1
444
0,47
2,25
69,7
322
324
1269
1593
322
11
30
7,7
369
0,34
1,12
33,7
113
313
1884
2197
113
12
31
3,5
325
0,23
0,72
22,4
51
324
2319
2643
51
6033
3813
14700
18513
4212
Celkové výsledky: Roční potřeba tepla pro ohřev TV a vytápění:
18 513 kWh za rok
Získané množství tepla ze solárních kolektorů:
6 033 kWh za rok
Použité množství tepla ze solárních kolektorů pro ohřev TV a vytápění:
4 212 kWh za rok
Nová potřeba tepla po instalaci solárních kolektorů pro ohřev TV a vytápění:
14 301 kWh za rok
Přebytek získaného tepla ze solární soustavy, který je v letních měsících použit na ohřev venkovního bazénu: 1 821 kWh za rok
40
V tabulce č. 8 jsou uvedeny dosažené úspory pro ohřev teplé vody a vytápění: (cena 1kWh = 3,77 Kč)
Tabulka č.8 Roční úspory
Spotřeba tepla Náklady kWh/rok
Kč s DPH
18 513
69 794
Stav po instalaci solárních kolektorů 14 301
53 915
Roční úspora celkem
15 879
Původní stav
4 212
K dosaženým úsporám pro ohřev teplé vody a vytápění musíme připočítat i úsporu za ohřev bazénu v letních měsících, která činí 1 821 kWh = 6 865 Kč Účinnost tohoto solárního zařízení je 23 % a je tedy schopno ročně ušetřit přibližně čtvrtinu výdajů za elektrickou energii. Vzhledem tomu, že náklady na pořízení tohoto solárního systému jsou 178 681 Kč a systém je schopen ročně ušetřit 15 880 Kč, budou náklady na pořízení systému vráceny přibližně za 11 let. Bez státní dotace by se tyto náklady vrátily přibližně za 16 let.
41
8 ZÁVĚR Člověk svou činností postupně devastuje životní prostředí, které je v dnes v takovém katastrofálním stavu, že se celý svět musí snažit tuto devastaci co nejvíce snížit. Jednou z možností, která by pomohla tento problém řešit, je získávat energii takovým způsobem, který by životní prostředí co nejméně zatěžoval. Mezi tyto způsoby jistě patří získávání energie z obnovitelných zdrojů. Tato práce se zaměřila na získávání tepelné energie ze slunečního záření pomocí solárního kapalinového systému. Solární teplo neobsahuje škodlivé látky, především CO2, a tak neznečišťuje naše ovzduší. Sluneční záření patří mezi obnovitelné zdroje, které jsou k dispozici v určitém množství po celý rok a jsou z našeho hlediska nevyčerpatelné. K prvořadým výhodám získávání energie ze slunečního záření patří nejen její neomezená dostupnost, ale i nulová cena a především ekologicky nejšetrnější způsob výroby. Zároveň i šetří přírodní zdroje naší planety. Základním principem získávání solární tepelné energie, je nainstalování solárních kolektorů, ve kterých se sluneční záření pomocí absorpční plochy přemění v teplo, které je pak odvedeno k dalšímu využití. Tím může být ohřev bazénové vody, příprava teplé užitkové vody či přitápění. V této práci bylo představeno jedno konkrétní solární zařízení, které je nainstalováno na rodinném domě v Ivančicích. Byla provedena ekonomická analýza tohoto systému, zhodnocena jeho účinnost a stanovena předběžná doba návratnosti investice. Zároveň byla solární technika porovnána s konvenčním způsobem přípravy teplé vody a vytápění. Toto nainstalované solární zařízení se využívá na ohřev užitkové vody, na přitápění a přebytek tepla v letních měsících je použit na ohřev venkovního bazénu. Pomocí výpočtů bylo zjištěno, že tento systém je nejúčinnější především při ohřevu užitkové vody, neboť je schopen zajistit veškerou potřebu teplé vody bez doplňkového zdroje 8 měsíců v roce a ve zbylých měsících jen částečně. Na vytápění domu tento systém dle předpokladu nestačí a tak je využit pouze v některých měsících na přitápění. Zbytek potřebného tepla je zajištěn doplňkovým zdrojem tepla. Vhodně je zužitkován přebytek tepla v letních měsících, kdy je vyhříván venkovní bazén. Tento systém je schopný pokrýt přibližně čtvrtinu nákladů na přípravu teplé užitkové vody a na vytápění. Doba návratnosti nákladů na pořízení solárního systému byla spočítána sice na 11 let, ale vzhledem tomu, že cena elektrické energie stále roste, budou finanční náklady vráceny určitě dříve.
42
POUŽITÉ ZDROJE [1] Buček Roman, 2008: Projektová dokumentace k vytápění rodinného domu Ivančice [2] Bufka Aleš, 2006: Solární kolektory pro ohřev vody v bývalém Československu (1977-1992), Ministerstvo průmyslu obchodu, Praha, 41 s. [3] Cihelka J., 1994: Solární tepelná technika, T. Malina, Praha, 208 s. [4] Hudec Mojmír, 2008: Pasivní rodinný dům, Grada Publishing, a.s., Praha, 112 s. [5] Komora, Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, 2006: Příručka Obnovitelné zdroje energie, 28 s. [6] Ing. Matuška Tomáš, Ph.D., 2009: Alternativní zdroje anergie – učební texty, 119 s. [7] Ing. Matuška Tomáš, Ph.D., 2010: Solární soustavy pro bytové domy, Grada Publishing, a.s., Praha, 136 s. [8] Ing. Matuška Tomáš, Ph.D., 2009: Zjednodušený výpočet postup energetického hodnocení solárních soustav, ČVUT Praha, 12 s. [9] Mikulčák Jiří, 2010: Matematické, fyzikální a chemické tabulky, Prometheus, spol.s.r.o., Praha, 206 s. [10] Murtinger Karel, Jan Truxa, 2010: Solární energie pro Váš dům, Computer Press, a.s., Brno, 107 s. [11] Srdecný Karel, Knápek Jaroslav, Klinkerová Jitka a Kašparová Monika, 2009: Obnovitelné zdroje energie – Přehled druhů a technologií, Ministerstvo životního prostředí, Praha, 31 s. [12] Technický list výrobku, akumulační zásobník typ Delta, firmy 4T, a.s. [13] Technický list výrobku, regulátor typ Steca TR603, firmy 4T, a.s. [14] Technický list výrobku, solární kolektor typ FSC24, firmy 4T, a.s. [15] REFLEX CZ, s.r.o., Technické podklady pro projektanty, 31 s. [16] Volker Quaschning, 2008: Obnovitelné zdroje energií, Grada Publishing, a.s., Praha, 296 s. [17] Závody Viessmann, spol.s.r.o., 2009: Projekční příručka – solární technické systémy, Viessmann, spol.s.r.o., 195 s. [18] Ing. Matuška Tomáš, Ph.D., 2011: Ekonomika solárních tepelných soustav I. Databáze online [4.5.2012]. Dostupné na: http://oze.tzb-info.cz/solarni-kolektory/7072ekonomika-solarnich-tepelnych-soustav-i [19] Ing. Matuška Tomáš, Ph.D., Solární kolektory. Databáze online [cit. 16.2.2012]. Dostupné na: http://oze.tzb-info.cz/solarni-kolektory [20] Ing. Peterka Jaroslav, CSc., 2004: Solární historie v ČR a SR, . Databáze online
43
[cit. 2.1.2012]. Dostupné na: http://www.tzb-info.cz/1940-solarni-historie-v-cr-a[21] Solární energie. Databáze online [10.5.2012]. Dostupné na: http://www.usporyenergie.com/solarni-energie?articlesListFrom=10&articlesListCount=5
SEZNAM TABULEK Tabulka č. 1 Množství slunečního záření dopadající v Praze a Seville v průběhu roku na vodorovnou plochu [10] Tabulka č. 2
Průměrný měsíční součinitel znečištění atmosféry [3]
Tabulka č. 3
Sluneční záření dopadající v Praze v průběhu roku na nakloněnou rovinu [10]
Tabulka č. 4
Přirážka na tepelné ztráty: [8]
Tabulka č. 5
Srážka z tepelných zisků ze solárních kolektorů vlivem tepelných ztrát [8]
Tabulka č. 6
Průměrná teplota v solárních kolektorech [8]
Tabulka č. 7
Výsledky výpočtů
Tabulka č. 8
Roční úspory
SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek č. 1
Průměrný roční úhrn doby trvání slunečního svitu [4]
Obrázek č. 2
Průměrný roční úhrn globálního záření v kWh/m2 [4]
Obrázek č. 3
Schéma solárního systému pro ohřev teplé vody [15]
Obrázek č. 4
Základní součásti solárního tepelného kolektoru (plochý) [6]
Obrázek č. 5
Princip selektivního a neselektivního absorbéru [16]
Obrázek č. 6
Způsob uspořádání registru trubek [6]
Obrázek č. 7
Deskový kolektor,vakuový trubicový kolektor [15]
Obrázek č. 8
Schéma solární přípravy TUV pro rodinný dům: vlevo s předehřívajícím zásobníkem, vpravo s bivalentním zásobníkem [19]
Obrázek č. 9
Jednoduché schéma ohřevu bazénové vody [19]
Obrázek č. 10 Schéma solární kombinované soustavy s centrálním zásobníkem tepla [19]
44
SEZNAM FYZIKÁLNÍCH VZTAHŮ Vztah č. 1
Qp,TV - celková potřeba tepla na přípravu teplé vody v jednotlivých měsících [kWh]. [8]
Vztah č. 2
- celková měsíční potřeba tepla na přípravu teplé vody a vytápění [kWh]. [8]
Vztah č. 3
Qk,u - teoretický měsíční využitelný zisk ze solárních kolektorů [kWh]. [8]
Vztah č. 4
- průměrná denní účinnost solárního kolektoru. [8]
Vztah č. 5
- solární pokrytí (solární podíl) [%] [8]
SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1
Střední teplota v době slunečního svitu tes pro některá mista v ČR a SR. [3]
Příloha č. 2
Skutečná denní dávka celkového slunečního ozáření HT,den [kWh/m2] dopadající za den na různě orientovanou a skloněnou plochu v jednotlivých měsících [8]
Příloha č. 3 Příloha č. 4
Střední hodnota slunečního ozáření Gtm [W/m2] na různě orientovanou a skloněnou plochu [8] Schéma vybraného solárního system na rodinném domě v Ivančicích
Příloha č. 5
Fotodokumentace
45
Příloha č. 1 Střední teplota v době slunečního svitu tes pro některá mista v ČR a SR. [3]
Místo
Střední teplota v době sluneční svitu tes v jednotlivých měsících (0 C ) 1.
2.
3.
4.
5.
Praha
2,2
3,4
6,5
12,1
16,6
ČeskéBudějovice
1,7
2,4
6,2
10,7
Hradec Králové
1,6
2,4
6,0
Brno
1,7
2,8
Bratislava
2,1
Košice Sněžka (1602m)
10.
11.
12.
20,6 22,5 22,6 19,4
13,8
7,3
3,5
15,8
18,6 20,8 20,6 17,4
12,1
6,9
3,3
10,7
15,9
18,9 20,7 20,8 18,0
12,7
7,2
3,3
7,0
12,0
17,2
20,2 22,1 21,8 18,5
13,1
7,7
3,5
3,6
8,5
13,4
18,5
21,6 23,5 23,6 20,5
14,7
8,5
4,2
0,1
1,7
6,6
12,1
16,3
20,5 22,4 22,2 18,7
13,1
7,5
2,8
-3,5
-3,6
-1,7
1,7
6,6
9,6
5,5
0,9
-2,0
46
6.
7.
11,6
8.
11,9
9.
9,7
Příloha č. 2 Tabulka P1 – Skutečná denní dávka celkového slunečního ozáření HT,den [kWh/m2] dopadající za den na různě orientovanou a skloněnou plochu v jednotlivých měsících [8]
47
Příloha č. 3 Střední hodnota slunečního ozáření GT,m [W/m2] na různě orientovanou a skloněnou plochu [8]
48
Příloha č. 4 Schéma vybraného solárního systému na rodinném domě v Ivančicích
49
Příloha č. 5 Fotodokumentace
50
