Energeticky audit

Energetické úspory v souvislostech 


Solárního kolektor a fotovoltaický panel bilance

Datum: 31.1.2011 | Autor: doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.


TEORIE

Solární konstanta

Solární konstanta udává intenzitu tepelného toku na hranici atmosféry, tedy ještě před rozptýlením, pohlcením a odražením části tohoto tepelného toku. Je to tok procházející rovinou kolmou na směr slunečních paprsků.  Její hodnota se zhruba rovná 1 367 W/m2. Na 1 m 2 postavený kolmo k dopadajícím paprskům (nad zemskou atmosférou) dopadá 1,4 kW sluneční energie. To je sluneční konstanta. Na každý m2 na povrchu myšlené kulové plochy o poloměru  1,5 x 10^11 metrů (což je vzdálenost Země od Slunce) dopadá množství energie odpovídající sluneční konstantě.


Přírodní podmínky v ČR

Dostupnost solární energie je ovlivněna kromě jiné také zeměpisnou šířkou, lokálními podmínkami a sklonem na níž sluneční záření dopadá. V České republice dopadne na 1m2 za rok vodorovné plochy zhruba 950-1340 kWh energie. Přirozeně platí, že čím vyšší je průměrný úhrn globálního záření, tím větší je množství vyrobené energie za rok. Roční množství slunečních hodin se pohybuje mezi 1331-1844 hod (ČHMÚ), odborná literatura uvádí 1600-2100 hod. Z hlediska praktického využití platí, že z jedné instalované kW běžného systému lze za rok získat průměrně 800-1100 kWh elektrické energie.


Zjednodušený výpočtový postup energetického hodnocení solárních soustav (TNI 73 0302)

Uvažuje též tepelné ztráty vlastní soustavy, reálné provozní podmíneky a zahrnutí letních nevyužitelných přebytků tepelné energie ze solární soustavy. Z dlouhodobých měření tuzemských solárních soustav pro přípravu teplé vody vyplývají hodnoty měrných zisků solárních soustav v průměru okolo 400 kWh/(m2.rok). U rodinných domů je hodnota měrného zisku solární soustavy  od 250 do 350 kWh/(m2.rok).


Údaje pro intenzitu sluneční radiace jsou stanoveny na národní úrovni podle příslušných technických norem4.


Solární kolektory

Roční množství dopadajícího slunečního záření na všechny solární kolektory v hodnocené budově je stanoveno ze vztahu:

QSC;sc;n = Acol • Isol;n • Fs


kde je:

QSC;year    roční dopadající sluneční záření na všechny solární kolektory, (MJ/rok);

QSC;sc;n        dopadající sluneční záření na solární kolektor sc v měsíci n, (MJ/měsíc).


Množství měsíčního dopadajícího slunečního záření na solární kolektor sc je stanoveno ze vztahu:

QSC;year = ∑scn QSC;sc;n


kde je:
QSC;sc;n     dopadající sluneční záření na solární kolektor sc v měsíci n, (MJ/měsíc);
Acol         plocha kolektoru, (m2);
Isol;n        průměrné dopadající sluneční záření na m2 plochy s danou orientací a sklonem v měsíci n, (MJ/(m2 • měsíc)), určeno podle příslušných technických norem6;
Fs        korekční činitel stínění, (-).

Solární systémy jsou používány zejména na přípravu teplé vody, zbytkové množství tepelné energie se využívá pro vytápění.

Dodávka energie ze solárního kolektoru do příslušného systému se stanoví ze vztahu :

QSC;distr;DHW;sc;n = fSC;DHW;sc;n • QSC;sc;n • ηSC;sc

QSC;distr;H;sc;n = fSC;H;sc;n • QSC;sc;n • ηSC;sc


kde je:
QSC;distr;DHW;sc;n dodávka energie ze solárního kolektoru sc do systému přípravy teplé vody v měsíci  n, (MJ/měsíc);
QSC;distr;H;sc;n    dodávka energie ze solárního kolektoru sc do otopného systému v měsíci n, (MJ/měsíc);
fSC;DHW;sc;n    podíl využití energie ze solárního kolektoru sc pro přípravu teplé vody v měsíci n, (-);
fSC;H;sc;n     podíl využití energie ze solárního kolektoru sc na vytápění v měsíci n, v (-);
QSC;sc;n        dopadající sluneční záření na solární kolektor sc v měsíci n, (MJ/měsíc), viz. vzorec výše.
ηSC;sc        účinnost použitého systému podle typu každého solárního kolektoru sc, (-).


Měsíční podíly f
SC;DHW;sc a fSC;H;sc závisí na požadované potřebě tepla a tepla dostupného ze solárního kolektoru.

Fotovoltaické články
Energie získaná z fotovoltaických článků snižuje spotřebu dodané
elektřiny hodnocené budovy. Roční výroba elektřiny z fotovoltaických článků se stanoví ze vztahu:

QPV;E = ∑n QPV;E;n

kde je:

QPV;E        roční výroba elektřiny z fotovoltaických článků, (MJ/rok);

QPV;E;n     výroba elektřiny z fotovoltaických článků v měsíci n, (MJ/měsíc).


Množství vyrobené elektřiny pro každý fotovoltaické článek i a výpočtové období n se stanoví ze vztahu:

QPV;E;n = ∑ni APV;i • FPV;i • Isol;n;i • Fs;i


kde je:

QPV;E;n        výroba elektřiny z fotovoltaického článku v měsíci n, (MJ/měsíc);

APV;i        plocha fotovoltaického článku i, (m2);

FPV;i        činitel využití tepelných zisků (účinnost systému) článku i, (kWh/MJ);

Isol;n;i        dopadající sluneční záření na fotovoltaický článek i s danou orientací a sklonem, na plochu m2 v měsíci n, (MJ/měsíc • m2);

Fs;i        korekční činitel stínění kolektoru i, (-). Korekční činitel stínění je stanoven podle příslušných technických norem4.








Postup výpočtu podle TNI 73 0302


Podstatou zjednodušené bilanční metody je stanovení skutečně využitých zisků solární soustavy Qss,u na základě porovnání teoreticky využitelných tepelných zisků solárních kolektorů Qk,u a celkové potřeby tepla Qp,c, která má být kryta. Celý výpočet lze v podstatě zapsat pro každý měsíc jako

Teoreticky využitelné zisky solární soustavy se v jednotlivých měsících stanoví jako

kde

η0, a1 a a2 - konstanty křivky účinnosti solárního kolektoru;

tk,m - střední denní teplota teplonosné kapaliny v solárním kolektoru, ve °C;

te,s - střední venkovní teplota v době slunečního svitu, ve °C;

GT,m - střední denní sluneční ozáření pro daný sklon a orientaci, ve W/m2;

HT,den - skutečná denní dávka slunečního ozáření, v kWh/(m2den);

n - počet dní v měsíci;

Ak - plocha apertury solárních kolektorů, v m2;

p - hodnota srážky z tepelných zisků solárních kolektorů vlivem tepelných ztrát solární soustavy (rozvody, solární zásobník)


Bilanční metoda je fyzikálně zřetelným postupem energetického hodnocení solárních soustav, která zohledňuje:

klimatické podmínky: střední teplota v době slunečního svitu te,s, měsíční dávku slunečního ozáření HT,den a střední sluneční ozáření GT,m uvažované plochy solárních kolektorů pro podmínky jasné oblohy (v době provozu solárních kolektorů) podle sklonu a orientace plochy kolektorů;

typ solárního kolektoru: konstanty křivky účinnosti η0, a1 a a2 a plocha apertury kolektoru Ak, ke které je křivka účinnosti vztažena;

sklon a orientace kolektoru;

provozní podmínky:
střední teplota teplonosné kapaliny v solárních kolektorech tk,m;

tepelné ztráty solární soustavy, resp. jejich podíl z teoretických "čistých" zisků solárních kolektorů Qk;

potřebu tepla v dané aplikaci a její vliv na využitelnost tepelných zisků solární soustavy


Komentář k jednotlivým bodům:

ad 1) TNI používá jednotné klimatické údaje (typická lokalita město), aby hodnocení solární soustavy bylo jednotné a snadno ověřitelné. Snahou výpočtového postupu není přiblížit se co nejblíže skutečnosti v daném místě (nelze zjednodušenými metodami), ale věrohodně posoudit vhodnost návrhu plochy a typu solárních kolektorů z hlediska využitelnosti jejich zisků.

ad 2) TNI 73 0302 připouští pro výpočet použití křivky účinnosti vztažené k ploše apertury solárního kolektoru v souladu s ČSN EN 12975-2 [2]. Plocha apertury je jednoduše změřitelná bez rozebrání solárního kolektoru a je evropskými zkušebními ústavy používána v naprosté většině případů jako referenční plocha solárních kolektorů.

Výpočtový postup neuvažuje křivku modifikátoru úhlu dopadu (IAM) konkrétního kolektoru, která stanovuje vliv úhlu dopadu slunečního záření na vlastní účinnost solárního kolektoru. Má to dva důvody: a) zkušenost ukazuje, že dodavatelé solárních kolektorů křivku IAM nemají k dispozici (změřenou), případně projektanti a auditoři ani nevědí co to je; b) jedním z cílů výpočtové metody byla snaha o zjednodušení množství potřebných vstupních údajů. Tato skutečnost znevýhodňuje kvalitní trubkové vakuové solární kolektory s válcovým absorbérem. Na druhé straně nelze paušálně stanovit, že všechny trubkové kolektory budou mít ve výpočtu zvýšeny zisky např. o 20 % vlivem svých optických vlastností, protože u řady z nich to jednoduše neplatí. Přínos optických vlastností trubkových kolektorů je velmi závislý na konkrétní geometrii jak vakuových trubek (rozteč), tak reflektoru (tvar, vzdálenost od trubek). Některé trubkové vakuové kolektory jsou svými optickými vlastnostmi i horší než kolektory ploché [3]. Obecně je proto vliv úhlu dopadu (spolu s jinými vlivy) na účinnost zahrnut v jednotném korekčním součiniteli 0,9 v rovnici (2), který snižuje zisky vypočtené z křivky účinnosti kolektoru získané za laboratorních podmínek zkoušky [2].

ad 3) TNI umožňuje hodnotit solární soustavy s kolektory o sklonu 0 až 90° a orientaci ±45° od jihu. Pro vyšší azimuty již zjednodušený výpočet zisků není platný, neboť vliv středního měsíčního úhlu dopadu na účinnost kolektoru je mnohem vyšší než zohledňuje korekční činitel 0,9 (viz komentář k bodu 2).

ad 4) TNI zohledňuje typ aplikace a dimenzování solární soustavy, které určují provozní podmínky. Obecně platí, že čím vyšší solární pokrytí, tím vyšší přebytky nevyužitelné energie v letním období a tím vyšší průměrná teplota v kolektorech během roku. Průměrná provozní teplota (roční, měsíční) v solární soustavě je ovlivňována řadou faktorů (velikost zásobníku, dimenzování výkonu kolektorů vůči odběru tepla a velikosti zásobníku, úroveň tepelné izolace) a je velmi obtížné jednoduchým způsobem zohlednit různé případy a kombinace. Výpočet nedokáže zohlednit extrémní předimenzování plochy solárních kolektorů. TNI zavádí provozní teplotu jako paušální hodnotu v závislosti na typu a pokrytí solární soustavy a pro jednoduchost výpočtu nezohledňuje změnu provozní teploty během roku (v zimě nižší hodnoty, v létě vyšší).

ad 5) Tepelné ztráty solární soustavy (rozvodů, solárního zásobníku) snižují využitelné zisky solární soustavy. Zatímco u malých soustav, např. pro rodinné domy jsou tepelné ztráty značné v porovnání s energií produkovanou kolektory (až 40 % i u dobře zaizolovaných soustav), u velkoplošných solárních soustav se poměr tepelných ztrát vůči teoreticky využitelným ziskům kolektorů výrazně zmenšuje (< 5 %). Nicméně, relativní rozdíl mezi tepelnými ztrátami soustavy s velmi dobrým izolačním standardem (např. více než 20 mm izolace na potrubí 22x1) a špatným izolačním standardem (např. 10 mm izolace na potrubí 22x1) je cca do 20 %, proto jsou použity paušální hodnoty srážky ze zisků vlivem tepelných ztrát bez ohledu na konkrétní podmínky zaizolování potrubí a zásobníku.

ad 6) TNI uvádí postup, jak stanovit potřebu tepla pro přípravu teplé vody a vytápění, včetně zjednodušeného výpočtu souvisejících tepelných ztrát, které je možné solárními zisky pokrýt. V případě přípravy teplé vody TNI vychází z reálných hodnot spotřeb podle [4] potvrzených měřením na řadě instalací v ČR. V běžných aplikacích přípravy teplé vody nelze použít hodnoty spotřeby teplé vody z normy ČSN 06 0320 [5]. Návrhové hodnoty uvedené v normě, např. 82 l/(os den) pro obytné budovy, jsou určeny pro návrh zdroje tepla a objemu zásobníku teplé vody pro bezpečné zajištění přípravy teplé vody v daném objektu a jsou ze své podstaty výrazně vyšší než průměrné dosahované (cca dvojnásobné).

V případě výpočtu potřeby tepla na vytápění při bilancování kombinovaných solárních soustav metodika doporučuje využít výpočtu provedeného v souladu s ČSN EN ISO 13790 [6], pokud je k dispozici. Pokud k dispozici není, TNI umožňuje s ohledem na časovou náročnost výpočtu a požadavky na detailní vstupní údaje použít zjednodušenou denostupňovou metodu pro přibližné stanovení potřeby tepla na vytápění v určitém období (měsíc). Pracnost výpočtu podle ČSN EN ISO 13790 je neúměrná vlivu přesnosti stanovení potřeby na výsledky bilance využitelných tepelných zisků solární kombinované soustavy.

Výsledky výpočtu podle TNI jsou celkové roční využitelné (skutečně využité) zisky solární soustavy Qss,u, solární podíl f a měrné tepelné zisky solární soustavy qss,u.

Závěr

Metodika bilancování solárních soustav podle TNI 73 0302 je zjednodušeným postupem výpočtu a proto má řadu nevýhod. Nedokáže zohlednit skutečné chování solární soustavy za všech podmínek návrhu a provozu, nicméně pro běžně dimenzované solární soustavy umožňuje přibližně stanovit energetické přínosy. Podrobně bilancovat solární soustavy umožňuje řada simulačních programů (TRNSYS, Polysun, T-sol, aj.), z nichž řadu již projektanti a dodavatelské společnosti v ČR používají nejen pro hodnocení solárních soustav, ale i pro jejich návrh.