Výstavba solárního sezónního akumulátoru s tepelným čerpadlem

Datum: 21.2.2011  |  Autor: Bc. Stanislav Němec, Ing. Michal Broum, REGULUS spol. s r. o.  |  Recenzent: Miroslav Štorkan

Solární soustavy s dlouhodobou nebo sezónní akumulací se především v zahraničí stávají běžnou součástí pokročilých úsporných otopných soustav, zejména v rámci ekologických projektů nízkoenergetických staveb, solárních sídlišť, komerčních budov či různých výzkumných projektů. Několikaleté provozy těchto soustav a data nashromážděná z těchto aplikací ukazují na jejich reálný potenciál využití v běžné praxi.

Úvod

Solární soustavy s dlouhodobou nebo sezónní akumulací se především v zahraničí stávají běžnou součástí pokročilých úsporných otopných soustav, zejména v rámci ekologických projektů nízkoenergetických staveb, solárních sídlišť, komerčních budov či různých výzkumných projektů. Několikaleté provozy těchto soustav a data nashromážděná z těchto aplikací ukazují na jejich reálný potenciál využití v běžné praxi, zejména v budoucnu, kdy budou nízkoenergetické až pasivní stavby stavebním standardem. Právě malé výkony potřebné pro vytápění objektu a "extrémně" nízkoteplotní otopná soustava jsou podmínky efektivního využití dlouhodobé či sezónní akumulace solární soustavy. Technická řešení běžných aplikací se sezónní solární akumulací jsou obecně známa. Solární soustava je zapojena do zásobníku o objemu několika desítek m3, z tohoto zásobníku je pak přes záložní zdroj realizováno vytápění objektu. Příprava teplé vody bývá v těchto soustavách řešena samostatně, mnohdy dokonce bez napojení na instalovanou solární soustavu. Jak ale bude vypadat dlouhodobá solární akumulace aplikovaná na stávající objekt stavěný v běžném energetickém standardu, s běžnou nízkoteplotní otopnou soustavou a již instalovaným tepelným čerpadlem typu země-voda?

Problematika napojení sezónní akumulace na stávající otopnou soustavu

K řešení se nám dostal zajímavý případ návrhu a realizace atypického řešení sezónní solární akumulace do stávajícího objektu rodinného domu. Atypický proto, že objekt svými parametry nesplňuje obecně vžité limity možnosti použití této soustavy. Jedná se rekonstruovaný rodinný dům, postavený v první polovině minulého století, s tepelnou ztrátou 13 kW a rekonstruovanou otopnou soustavou s deskovými otopnými tělesy navrženými na teplotní spád 55/40 °C. Běžně by se pro tento objekt nedalo nalézt schůdné řešení v podobě sezónní solární akumulace, neboť vzhledem k teplotnímu spádu otopné soustavy a velikosti tepelných ztrát by potřebný objem akumulace vycházel řádově ve stovkách m3 - tedy nereálný objem co do zastavění prostoru, tak z hlediska posuzování ekonomiky projektu. Jako hlavní tepelný zdroj objektu je instalováno zemní tepelné čerpadlo s horizontálním typem zemního výměníku (kolektoru).

Investor získal za velmi nízké pořizovací náklady vyřazený zásobník na vodu o velikosti 30 m3, který požadoval uplatnit pro rozšíření stávající otopné soustavy právě o solární soustavu s dlouhodobou akumulací. Objem dané akumulační nádrže nevyhovuje potřebám sezónní akumulace pro objekt s energetickou potřebou na vytápění o velikosti cca 30 000 kWh/rok a teplotním spádem otopné soustavy 55/40 °C - bylo by třeba použít objem solární akumulace více než 10x větší. Řešením tedy je využít solární akumulaci pouze pro část topné sezóny a zbytek sezóny využít stávající zdroje energie. Zůstal tedy jediný problém - z pevně zadaných podmínek bez možnosti ovlivnění parametrů objektu a velikosti akumulace nalézt optimální řešení zapojení solární akumulace jak z hlediska technických, tak investičních.

Tepelné čerpadlo - výhoda napojení na nízkopotenciální tepelnou energii

Právě instalované tepelné čerpadlo (TČ) umožnilo nalézt efektivnější řešení jinak pro tento objekt prakticky nenávratné solární soustavy s dlouhodobou akumulací. Napojením na primární okruh TČ, který celoročně pracuje v teplotách 0 - 10 °C se zruší závislost využitelnosti solární akumulace na teplotě otopného okruhu a umožní se vyčerpat energii ze solární akumulační nádrže až do teplot blížícím se 5 °C. Závislost na vyšším teplotním spádu otopné soustavy objektu, který jinak určuje minimální návrhovou teplotu sezónní akumulace při přímém napojení na vytápění. Detailněji je to vidět v bilanci průměrných teplot v solární sezónní akumulaci s přímým napojením na otopnou soustavu a nepřímým napojením přes primární okruh TČ.


Obr. 1 Bilance běžných teplot v sezónní solární akumulaci pro různé případy napojení akumulace do otopné soustavy

Z rozdílu minimálních a maximálních teplot v sezónní solární akumulaci (viz obr. 1) pro různé varianty vyplývají výhody varianty s napojením na primární okruh TČ. Teplota v nádrži se pohybuje od cca 5 °C až k 80 °C, akumulační nádrž tedy má velkou akumulační schopnost, oproti variantě s přímým napojením solární akumulace do vytápění, kdy se teplota v nádrži pohybuje mezi 40 °C až 80 °C. Lze tedy říci, že napojením solární akumulace přes primární okruh TČ se v tomto případě požadovaný objem sezónní solární akumulace sníží až na 50 % oproti klasickému návrhu s přímým napojením akumulace na otopnou soustavu. Další podstatný rozdíl vyplývající z křivek teplot v obr. 1 je snížení průměrné roční teploty v akumulační nádrži - u varianty s přímým napojením je to cca 60 °C, u varianty s napojením přes TČ je to cca 40 °C. Tato teplota má přímý vliv na teplotu ve slunečních kolektorech, tedy na účinnost kolektorů, resp. velikost ročních solárních zisků. Solární soustava bude schopna dodat požadované množství energie i při nižším počtu kolektorů.

Schéma zapojení solární soustavy do stávajícího otopné soustavy

Stávající otopná soustava sestávající se z TČ typu země-voda s přímým napojením na otopný okruh objektu byla doplněna o pohotovostní kombinovanou akumulační nádrž o velikosti 1000 l, dlouhodobou otevřenou akumulační nádrž 30 m3 a ploché sluneční kolektory o celkové ploše apertury 22 m2.


Obr. 2 Schéma zapojení solární soustavy s dlouhodobou akumulací do stávajícího otopné soustavy se zemním tepelným čerpadlem

Pohotovostní akumulační nádrž 1000 l

Pohotovostní kombinovaná nádrž umožňuje přímé napojení solární soustavy do otopné soustavy a přípravy teplé vody (TV) v objektu. Kdykoliv je tedy k dispozici dostatek energie v slunečních kolektorech, TČ je možné vypnout a solární soustava pak přímo hradí energetické potřeby objektu. TČ je zapojeno do horní poloviny pohotovostní akumulační nádrže, kterou udržuje na aktuální požadované ekvitermní teplotě otopné vody. Teplá voda se v pohotovostní akumulační nádrži předehřívá v průtočném nerezovém trubkovém výměníku a na požadovanou teplotu je dohřívána stávajícím způsobem v zásobníku jednotky tepelného čerpadla.

Akumulační nádrž pro dlouhodobou akumulaci 30 m3

Nádrž je navržena na akumulaci letních energetických přebytků solární soustavy s následným předáním této energie do primárního okruhu TČ. Nádrž je atmosféricky otevřená, instalovaná nad zemí, jako tepelná izolace byla použita sláma. Vstupy a výstupy napojení na hydraulický systém jsou řešeny horní otevřenou částí akumulační nádrže. Nádrž je vybavena elektronickým hlídáním hladiny s možností automatického dopouštění vody. Nad akumulační nádrží je řešena soustava deskových tepelných výměníků, které zajišťují předání energie ze solární soustavy do akumulace a z akumulace do primárního okruhu TČ. Teplotní odolnost akumulační nádrnádrže je 60 °C,množství akumulované energie je tedy o cca 25 % nižší než v běžných sezónních akumulátorech (až do 80 °C). Napojení ohřevu primárního okruhu z akumulace je realizováno přes termostatický směšovací ventil, který zajišťuje maximální výstupní teplotu z akumulace pod hranicí maximální teploty primárního okruhu TČ (25 °C). Z tohoto důvodu se také rezignovalo na teplotní stratifikaci akumulační nádrže, která je jinak u přímého napojení akumulace do vytápění běžná. Je zbytečné teplotně stratifikovat nádrž, zbytečně zvyšovat tepelné ztráty akumulace a investiční náklady, když výstup je trvale směšován na relativně nízké teploty. Velkou výhodou může být fakt, že k dlouhodobé akumulaci umístěné v exteriéru je vedena pouze nemrznoucí kapalina. Na solární straně je to kapalina na bázi monopropylenglykolu, na straně primárního okruhu TČ je to kapalina na bázi ethylalkoholu. Nebylo tedy nutné řešit vedení potrubí v nezámrzné hloubce, či jinak zajišťovat nezámrznost tohoto vedení.

Solární soustava

Sluneční kolektory jsou zapojeny do 4 spotřebičů:

  • Horní výměník pohotovostní akumulační nádrže (pro ohřev akumulace s rychlým odepnutí TČ)
  • Spodní výměník pohotovostní akumulační nádrže
  • Deskový výměník primárního okruhu TČ (přímý ohřev primárního okruhu TČ)
  • Deskový výměník dlouhodobé akumulační nádrže

Priority jednotlivých solárních spotřebičů jsou nastavitelné v regulaci. Pro maximální využití solární soustavy je první priorita nastavena do výměníku primárního okruhu TČ. Solární soustava tak při provozu TČ pracuje ve velmi nízkých teplotách (10 °C - 20 °C) tedy s vysokou účinností i v nepříznivých klimatických podmínkách (nízká intenzita slunečního záření, nízké venkovní teploty). Po překročení požadované maximální teploty primárního okruhu 25 °C se solární soustava přepíná do pohotovostní nádrže pro předehřev TV a přímé přitápění objektu a po dosažení požadovaných teplot pohotovostní akumulace (60 °C) se přepíná do dlouhodobé akumulace.

Závěr

Za "klasickou" variantu lze pokládat sezónní solární akumulaci s přímým napojením na otopnou soustavu v objektu. Varianta řešení napojení na stávající otopnou soustavu se zemním TČ se oproti "klasické" v návrhu liší zejména v těchto parametrech:

  • Objem sezónní akumulace je nižší v závislosti na teplotním spádu otopné soustavy až o 50 %.
  • Průměrná teplota sezónní akumulace je nižší (až o 20 °C), solární soustava má vyšší průměrnou účinnost, což může vést k návrhu menší plochy kolektorů a průměrné tepelné ztráty samotné akumulace jsou také nižší.
  • Není nutná teplotní stratifikace akumulace.
  • Jsou nižší investiční náklady.
  • Sluneční kolektory mají možnost být zapojeny přímo do primárního okruhu TČ a zvyšovat tak teplotu primárního okruhu, resp. topný faktor TČ, a to při zachování vysoké účinnosti solární soustavy.

Celá otopná soustava je podrobena důkladnému měření jednotlivých toků energií a spotřeb, data budou průběžně vyhodnocována a zveřejňována.

 
English Synopsis

Solar systems with long term or season accumulation are getting common part of the modern low-cost heating systems - especially abroad the Czech Republic, above all in environmental projects of low energy buildings, solar developments, comercial buildings or different research projects. These solar systems have been operating for several years. Data recorded during the operation shows the real potential for their every day use application.

 

Hodnotit:  

Datum: 21.2.2011
Autor: Bc. Stanislav NěmecIng. Michal Broum, REGULUS spol. s r. o.Recenzent: Miroslav Štorkan



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Blogger  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (1 příspěvek, poslední 21.02.2011 11:56)


Projekty 2017

Partneři - Tepelná čerpadla

logo REGULUS
logo STIEBEL ELTRON
logo Panasonic
logo SINCLAIR
logo PZP
logo MasterTherm

Odborný garant

Partneři - Vytápění

logo FENIX
logo GEMINOX
logo DANFOSS
logo ENBRA
logo THERMONA
logo FV PLAST
 
 

Aktuální články na ESTAV.czIndustriální stoly s příběhem, to je PESL FACTORYNejflexibilnější stavební materiál? Cihly Porotherm!Žlaby MEATEC pro bezbariérové a designové odvodnění teras a balkónůCeny Czech Grand Design: Grand designérem roku 2016 je studio deFORM