Analýza využití solárních vzduchových kolektorů pro vytápění rodinného domu
Solární vzduchové kolektory mohou zajistit částečné pokrytí potřeby tepla pro vytápění budovy. Na energetickém modelu konkrétního rodinného domu byla zkoumána roční dodávka tepla pro vytápění pro různé varianty použití vzduchových kolektorových systémů. Z analýzy vyplývá, že oproti použití větrací jednotky s rekuperací vzduchové solární kolektory nepřestavují úsporu z důvodu nízkých solárních zisků a krátké provozní doby v zimním období. Kombinace vzduchových kolektorů s rekuperační jednotkou nepřináší výrazný pokles v potřebě energie oproti samotné rekuperační jednotce, neboť při jejich společném využití dochází ke snížení účinnosti obou zařízení.
Úvod
Vedle kapalinových solárních kolektorů, které mají své pevné místo na trhu a slouží k ohřevu vody a podpoře vytápění, existují na evropském trhu také solární vzduchové kolektory, které mohou v uzavřeném okruhu nebo ve spojení s větráním zásobovat budovy teplem jako podpora provozu otopných soustav zejména v přechodném a zimním období. V minulosti bylo jejich využití v našich podmínkách vázáno především na zemědělství pro účely sušení plodin a píce [1]. V současnosti se vzduchové solární kolektory využívají jako spíše demonstrační instalace u nízkoenergetických a pasivních rodinných domů pro vytápění a ohřev větracího vzduchu nebo částečně u administrativních objektů (dvojité fasády) pro větrací účely.
V porovnání s kapalinovými solárními systémy vykazují vzduchové solární systémy řadu předností, ale také řadu nevýhod. Vzduchové solární systémy, zejména pokud jsou určené pro větrání, pracují s relativně nízkými provozními teplotami (nasávají venkovní vzduch) a energetické účinnost je vysoká. Síť vzduchových kanálů nemusí být absolutně těsná. Důsledkem netěsností je pouze únik teplého vzduchu, avšak žádné poškození budovy kapalinou jako potenciálně v případě kapalinových solárních kolektorů. Vzduchové solární kolektory nevyžadují ochranu ani proti mrazu (nemrznoucí kapalinu), ani pojistné a zabezpečovací prvky (pojistný ventil, expanzní nádoba). Vzduchová solární zařízení jsou také méně napadána korozí (suchý teplý vzduch), a tudíž životnost vzduchových kolektorů a rozvodů může být vyšší než u kapalinových solárních soustav [2].
Na druhé straně, nevýhodou vzduchových kolektorových systémů je nízká tepelná kapacita vzduchu a tedy nízká schopnost vzduchu přenášet teplo. Pro přenesení určitého výkonu je oproti kapalinovým systémům zapotřebí daleko větších průtoků (a tedy průřezů potrubí) a také pomocné energie (elektrická energie pro ventilátory). Druhá a zásadnější nevýhoda vzduchových solárních systémů pro použití v obytných budovách je nerovnováha mezi jejich využitím během roku. Zatímco v zimním období je využití vysoké, avšak přínos nízký, v letním období, kdy solární zisky jsou největší, nemá ohřátý vzduch v budově využití.
Obr. 1 – Model analyzovaného domu
Ekonomicky zajímavá řešení je možné realizovat zejména tehdy, jsou-li vzduchové kolektory konstruovány jako součást pláště budovy a mají více než jednu funkci (vytápění, předehřev venkovního vzduchu, noční chlazení). Následující analýza zaměřena především na porovnání různých solárních vzduchových kolektorových systémů pro rodinný dům – od jednoduchého systému pro předehřev čerstvého větracího vzduchu až po kombinace vzduchových kolektorů s rekuperační jednotkou.
Analýza
Pro analýzu využití solárních vzduchových kolektorů byl uvažován rodinný dům (viz obr. 1) o běžné energetické náročnosti. Detailní parametry rodinného domu jsou uvedeny v tab. 1. Jako referenční (srovnávací) varianta je uvažováno hybridní větrání (přirozený přívod vzduchu okny, nucený odtah vzduchu v koupelnách a kuchyni) bez rekuperace tepla. Způsob vytápění je konvenční otopnými tělesy. Dodávka tepla pro vytápění rodinného domu v referenční variantě je 17,8 MWh/rok.
| Parametr | Hodnota |
|---|---|
| Počet obyvatel | 4 |
| Geometrie (objem/podlahová plocha) | 861 m3 / 240 m2 |
| Celková energeticky vztažná plocha | 286 m2 |
| Celkový objem vzduchu | 607 m3 |
| Obálka budovy (podle ČSN 73 0540-2:2011) | požadované hodnoty součinitelů prostupu tepla |
| Požadovaná teplota vnitřního vzduchu (den/noc) | 20 °C / 20 °C |
| Průtok větracího vzduchu (odpovídá intenzitě větrání 0,3 vztažené k obytným místnostem podle ČSN 15 665/Z1) | 100 m3/h |
| Průměrné vnitřní tepelné zisky (osoby + spotřebiče) | 2 W/m2 |
Bylo uvažováno celkem 6 variant možností snížení energetické náročnosti, většina z nich s využitím solárních vzduchových kolektorů v různých konfiguracích. Varianta V1 využívá řízené větrání s rekuperací tepla z odpadního vzduchu pro předehřev větracího vzduchu. Tato varianta snižuje potřebu tepla na větrání, zbylou potřebu tepla hradí otopná soustava. Varianta V2 uvažuje namísto rekuperační jednotky použití solárních vzduchových kolektorů. Venkovní vzduch se v kolektoru předehřeje a přivádí se do budovy. Systém má vysokou účinnost z důvodu nízké teplotní úrovně, protože solární kolektor nasává přímo venkovní vzduch. Teplota vystupujícího větracího vzduchu z kolektoru může v provozu období dosahovat i teplot vyšších než je teplota vzduchu v interiéru a proto kromě snížení potřeby tepla na větrání může tato varianta hradit i část tepelných ztrát prostupem. Na druhé straně v době bez slunečního svitu tato varianta nepřináší žádnou úsporu. Varianta V3 uvažuje použití vzduchových solárních kolektorů za účelem cirkulačního vytápění. Cirkulační vzduch odsávaný z místností se v kolektoru ohřívá a vede zpět do budovy. Přívodní větrací vzduch je smíchán se vzduchem cirkulačním a přiveden do obytných místností. Ve dnech s podmračenou oblohou a v noci vzduch kolektorem neproudí. Výhodou této varianty je možnost zvýšení účinnosti kolektorů pomocí zvýšení průtoku cirkulačního vzduchu. Varianta V4 a varianta V5 kombinují rekuperační jednotku a solární vzduchové kolektory. V případě varianty V4 je solární kolektor zapojen před rekuperační jednotkou. Venkovní vzduch je veden kolektorem a případně dohříván v zařízení pro rekuperaci tepla. Pokud není dostatečný výkon slunečního záření (ve dnech s vysokou oblačností nebo v noci) vzduch kolektorem neproudí (by-pass). V případě varianty V5 je solární kolektor zapojen naopak až za rekuperační jednotkou. Venkovní vzduch předehřátý v rekuperační jednotce je veden přes kolektor a ohřátý je veden do vnitřního prostoru. Přiváděný vzduch je veden kolektorem pouze v době, kdy je má kolektor potenciál vzduch ohřát, jinak by naopak teplo ztrácel. Varianta V6 uvažuje společné využití solárních vzduchových kolektorů pro cirkulační teplovzdušné vytápění (ohřev cirkulačního vzduchu) a rekuperační jednotky pro předehřev čerstvého větracího vzduchu. Cirkulační vzduch odsávaný z místností se v kolektoru ohřívá a vede zpět do budovy. Přívodní větrací vzduch je po předehřátí v rekuperační jednotce smíchán se vzduchem cirkulačním a přiveden do obytných místností. Ve dnech s podmračenou oblohou a v noci vzduch kolektorem neproudí.
Přehled jednotlivých simulovaných variant je uveden na Obr. 2.
Obr. 2 – Principiální schémata uvažovaných variant
Obr. 3 – Konstrukce vzduchového solárního kolektoru
Pro všechny navržené varianty se uvažují 3 ks solárních vzduchových kolektorů s celkovou hrubou plochou 4,8 m2 s konstrukcí uvedenou na obr. 3. Účinnost rekuperační jednotky, pokud je použita, je uvažována 75 %. Požadovaná teplota interiéru je 20 °C, ale v případě použití solárních vzduchových kolektorů za účelem akumulace se umožňuje navýšit teplotu interiéru na 22 °C. Průtok čerstvého vzduchu ve variantách V1, V2, V4 a V5 je 100 m3/h. Průtok cirkulačního vzduchu ve variantách V3 a V6 je za účelem zvýšení účinnosti solárních kolektorů zvýšen na 400 m3/h. Kolektory mají sklon 45°, orientaci k jihu a jsou zapojeny v sérii. Detailní parametry uvažovaného solárního vzduchového kolektoru jsou uvedeny v Tab. 2. Křivky účinnosti solárního kolektoru stanovené pro různé průtoky jsou uvedeny na Obr. 4. Tepelné ztráty VZT rozvodů byly zanedbány.
| Parametr | Hodnota |
|---|---|
| Rozměry (šířka × výška × hloubka) | 1 × 1,6 × 0,087 m |
| Plocha (apertura / absorbér) | 1,52 m2 / 1,49 m2 |
| Kryt | solární sklo 4 mm |
| Absorbér | hliník 0,4 mm |
| Povrch absorbéru (pohltivost / emisivita) | 0,95 / 0,05 |
| Způsob proudění vzduchu | absorbér s dolním obtékáním |
| Izolace rámu | minerální vlna 30 mm |
Pro modelování zaskleného vzduchového solárního kolektoru byl vytvořen matematický model Type206 [3] pro simulační prostředí TRNSYS, který na základě detailních informací o konstrukci kolektoru (geometrické, optické a termofyzikální vlastnosti jednotlivých součástí) modeluje tepelné toky z povrchu absorbéru do okolí (vnější energetická bilance absorbéru) a z povrchu absorbéru do vzduchu (vnitřní energetická bilance absorbéru) a v souvislosti s tím i rozložení teplot v kolektoru. V současné době model nabízí výběr ze dvou konstrukcí:
Obr. 4 – Křivky účinnosti vzduchového kolektoru získané pro různé průtoky
- Jednokanálová konstrukce s horním obtékáním absorbéru – absorbér přiléhá přímo k tepelné izolaci na zadní straně kolektoru a nad absorbérem proudí ohřívající se vzduch.
- Dvoukanálová konstrukce s dolním obtékáním absorbéru – ohřívaný vzduch proudí vzduchovým kanálem mezi absorbérem a tepelnou izolací. Vzduchová dutina mezi absorbérem a krycím zasklením tvoří tepelný odpor proti tepelné ztrátě do okolí. Tato varianta konstrukce kolektoru byla použita v simulaci.
Jak je patrné z grafu na obr. 4, účinnost solárního vzduchového kolektoru je výrazně závislá na průtoku vzduchu kolektorem [4]. Je proto při návrhu velice důležité zvolit správné zapojení a počet kolektorů.
Výsledky analýzy
Obr. 5 – Výsledky analýzy
Vyhodnocování roční dodávky tepla vytápění bylo provedeno v simulačním prostředí TRNSYS. Klimatické údaje použité v simulační analýze byly převzaty z typického meteorologického roku (Meteonorm) pro Prahu. Klimatické údaje vykazují relativně konzervativní úhrn dopadající sluneční energie na vodorovnou rovinu 998 kWh/m2.rok s roční průměrnou teplotou venkovního vzduchu 8,9 °C. Otopné období je ve výpočtu definováno průměrnou denní teplotou venkovního vzduchu ve dvou po sobě následujících dnech nižší než 13 °C a v měsících červnu, červenci a srpnu není vytápění v provozu. Za těchto podmínek má otopné období celkem 234 dnů. Výsledky simulace jsou uvedeny na Obr. 5.
Z grafu je patrné, že použití solárních kolektorů v různých variantách vede k poklesu dodávky tepla pro vytápění o 7 až 21 % oproti referenční variantě.
Porovnání variant V1, V2 a V3 ukazuje, že za určitých klimatických a provozních podmínek úspora tepelné energie dosazená instalací rekuperační jednotky je cca 2krát větší než úspora energie dosažená instalací vzduchových kolektorů. Vyšší hodnoty výsledné dodávky tepla pro vytápění pro variantu V2 a V3 v porovnání s variantou V1 jsou způsobené hlavně rozdílem v provozní době uvazovaných zařízení. Zatímco v případě trvalého větrání je rekuperační jednotka je v provozu celý den, vzduchové solární kolektory fungují pouze v době, kdy úroveň slunečního ozáření je dostatečná pro ohřev čerstvého venkovního (V2) nebo cirkulačního (V3) vzduchu.
Kromě toho svou roli zde hraje i skutečnost, že vzduchové solární kolektory jsou v provozu v době relativně vysokých solárních zisků okny. Energetický přínos vzduchových kolektorů je tedy zároveň omezován dosažením nastavené vnitřní teploty vzduchu v budově (22 °C).
Kombinace rekuperační jednotky a vzduchových kolektorů ve variantách V4, V5 a V6 umožňuje další snížení potřebné dodávky tepla na vytápění. Nicméně pokles potřeby tepelné energie už není tak výrazný. Svou roli zde hraje skutečnost, že tato úsporná zařízení si navzájem konkurují. Předehříváním vzduchu v kolektoru se omezuje výkon rekuperační jednotky (V4), protože do ní buď proudí vzduch s vyšší teplotou než je teplota venkovního vzduchu nebo neproudí vzduch vůbec (bypass), když je teplota vzduchu na výstupu z kolektoru vyšší než 18 °С. Co se týká varianty V5, tak předehříváním vzduchu v rekuperační jednotce se snižuje účinnost kolektoru tím, že do něho proudí vzduch s vyšší teplotou, a tedy se zvyšují tepelné ztráty kolektoru. I když varianta V6 má vzduchové kolektory a rekuperační jednotku zapojené zvlášť, výkon vzduchových kolektorů je omezen tím, že do kolektorů je vzduch nasáván o teplotě vnitřního vzduchu.
Závěr
Cílem analýzy bylo ukázat na možný potenciál využití vzduchových kolektorů pro rodinný dům. S využitím detailního matematického modelu a celoroční simulace v TRNSYS byly teoreticky porovnány různé konfigurace systémů se vzduchovými solárními kolektory, případně v kombinaci s rekuperační jednotkou. Pro analýzu byl použit konkrétní dům s konkrétní energetickou náročností. Výsledky výpočtů nelze tedy zcela zobecnit, nicméně napovídají, že potenciál pro snížení celkové dodávky tepla pro vytápění jak v případě jednotlivého použití vzduchových solárních kolektorů, tak i v případě jejich kombinaci s rekuperační jednotkou je relativně malý. Solárními vzduchovými kolektory nelze plnohodnotně nahradit rekuperační jednotku. Vyšší hodnoty výsledné dodávky tepla pro vytápění v případě vzduchových kolektorů lze vysvětlit kratší provozní dobou, protože solární kolektory fungují pouze v době, kdy úroveň slunečního záření je dostatečná pro ohřev čerstvého venkovního vzduchu a zároveň dům není přetápěn solárními zisky okny.
Kombinované varianty ukazují poměrně nízké hodnoty výsledné dodávky tepla na vytápění, avšak pokles potřeby tepelné energie už není tak značný. Důvodem je snížení účinnosti jednotlivých zařízení při jejich společném využití.
Vzhledem k nízké využitelnosti vzduchových solárních kolektorů během roku se nabízí myšlenka spojit konstrukci vzduchového kolektoru s kapalinovým kolektorem. Snahou je docílit vysokou účinnost v průběhu celého roku, resp. v průběhu doby využití a zároveň maximalizovat dobu provozu solární soustavy. Takové solární duální kolektory pro ohřev dvojice teplonosných látek kapalina/vzduch jsou v současné době předmětem vývoje v UCEEB ČVUT v Buštěhradě. Výsledky vývoje budou prezentovány v některém z dalších příspěvků.
Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.
Odkazy
- Bufka, A.: Solární kolektory pro ohřev vody v bývalém Československu (1977–1992). Praha: MPO, 2006.
- Hastings, R.: International Energy Agency. Solar Heating a Cooling Programme. Solar Air Systems: A Design Handbook [online]. B.m.: James & James, 2000. ISBN 9781873936863. Dostupné z: https://books.google.cz/books?id=kDZPvHbgzRkC
- Shemelin, V., Matuška, T.: Model of glazed solar air collector based on detailed construction parameteres and energy balance. Dostupné na URL adrese: http://users.fs.cvut.cz/tomas.matuska/?page_id=582
- Shemelin, V., Matuška, T.: Parametry vzduchových solárních kolektorů a jejich zkoušení. Energie 21, 2017, roč. X, č. 5, s. 14–17. ISSN 1803-0394.
Solar air collectors can provide partial coverage of the heat demand for building heating. On the energy model of a family house, an annual heat supply for heating for different uses of air collector systems was examined. The analysis shows that, as opposed to the use of a ventilating unit with recuperation, the air solar collectors do not provide savings due to low solar gains and short operating hours in the winter. The combination of the air collectors with the regenerative unit does not bring a significant decrease in the energy requirement compared with the regenerative unit itself, as the combined efficiency of both devices is reduced.
