Solární soustava pro absorpční chlazení

Článek je zajímavý ze dvou důvodů: zabývá se ne zcela obvyklým použitím solární techniky pro absorpční chlazení a podrobným řešením problémů spojenými se stagnací kolektorového pole. Stagnace je závažným problémem zejména u slunečních kolektorů s tepelnými trubicemi.

Recenzent: Jiří Matějček

Článek se zabývá solární soustavou Kombi-plus, která přednostně zajišťuje část tepla pro pohon absorpčního chladiče bazénové vody pro tuleně a tučňáky v ostravské ZOO. Chlazení probíhá v letním období od května do začátku září. V období, kdy nebude potřeba chlazení vody v obou bazénech, bude solární teplo využito pro přípravu teplé vody, eventuálně i pro přitápění zázemí expozice a sousedního pavilonu velkých šelem.

Úvod

Hlavní podklad pro návrh solární soustavy představoval výpočet chladicího výkonu pro oba bazény. S ohledem na dostupné nezastíněné plochy pro umístění kolektorů v blízkosti strojovny solární soustavy, se stanovil maximální tepelný výkon solární soustavy využitelný pro absorpční chlazení. Navržena byla bloková chladicí jednotka využívající dva zdroje energie, a to solární teplo a teplo ze spalování zemního plynu (tab. 1). Tím je zajištěn maximální chladicí výkon za všech okolností. Energie ze zemního plynu je schopna zajistit 100% chladicí výkon, avšak při vyšších provozních nákladech. Proto se přednostně bude využívat solární energie, jejíž provozní náklady na získání představují 2 až 4 % ze získaného solárního tepla. Jedním ze základních požadavků investora bylo maximální snížení spotřeby elektřiny a dále snížení provozních nákladů.

Pokud bude přebytek solárního tepla mimo dobu chlazení, zapnou se chladiče automaticky pro chlazení bazénové vody ne z důvodu dodržení požadovaných teplot vody, ale z důvodu dodržení teplot v solární soustavě. Jedná se o ochrannou funkci proti přehřátí solárního pole.

Návrh kolektorového pole

Velikost kolektorového pole byla omezena prostorovými možnostmi umístění kolektorů v daném místě. Kolektorové pole obsahuje 87 kolektorů, které mají navržený jmenovitý teplotní spád 97/82 °C. Celkový maximální tepelný výkon je uvažován 72 kW a odpovídá solárnímu maximu pro pohon absorpční chladicí jednotky. Základní schémata jsou naznačena na obr. 1 a 2, dispoziční řešení na obr. 3.

Soustava je rozdělena do tří kolektorových polí s ohledem na dostupné možnosti umístění. Kolektorové pole A je umístěno na střeše pavilonu velkých šelem (vpravo nahoře na obr. 3), nejdále od solární strojovny, obsahuje 45 ks kolektorů se sklonem 30°, část má azimut 0° a část je orientovaná jihovýchodně 15°. Pole B (uprostřed obr. 3) má 30 ks kolektorů na přístřešku pro návštěvníky cca 15 m od pavilonu tuleňů a tučňáků, sklon 30°, azimut 9° jihozápadně. Pole C (vlevo dole obr. 3) sestává z 12 ks kolektorů, umístěných na altánu s občerstvením na střešní ploše pavilonu tuleňů a tučňáků, sklon cca 20°, azimut je různý, jelikož sleduje kruhový půdorys střechy. Propojení hlavního pole A se strojovnou solárního ohřevu bude provedeno předizolovaným měděným potrubím DN40 a DN50 s teplotní odolností do 180 °C.

Akumulace a stratifikace

Nerovnoměrnost nabídky solární energie během dne bude vyrovnávána krátkodobou akumulací. Solární akumulátor je navržen jako stratifikační tlakový stojatý. Akumulační objem solárního zásobníku bude 7,3 m³. V letním období slouží jako zásobník tepla pro absorpční chlazení při rozběhu chladicí jednotky. Nebude-li potřeba chlazení, pak akumulace vystačí na odběr tepla pro ohřev vody na 5 až 6 dnů. Bez zásoby tepla na cca 15 až 20 minut dojde k poklesu chladicího výkonu a následnému odstavení jednotky. Jednotka pak může znovu najíždět, má-li v akumulátoru dostatek tepla pro rozběh. Pokud toto není dodrženo, bude docházet k cyklování jednotky a jednotka nedosáhne svých požadovaných parametrů.

Přívod vody k stratifikačním vstupům je zajištěn potrubím DN50, stratifikace je řízena elektroventily. Aby nedošlo k rozvíření vrstev, mají hrdla pro vstup vody do zásobníku rozměr DN80, tedy větší než přívodní potrubí. Solární teplo se ukládá do vrstev o odpovídající teplotě 60 až 97 °C. Teploty jsou snímány čidly a vizualizovány na aktivním dynamickém schématu solární soustavy. Doplňkovým zdrojem tepla absorpční jednotky je hořák na nízkotlaký zemní plyn (modulovaný), zabudovaný přímo v absorpční jednotce, což umožní chlazení i bez solárního tepla.

Stagnace

Tento stav nastává, když se zastaví průtok teplonosné kapaliny kolektorem. Příčinou mohou být situace, kdy je zcela nabitý zásobník, nebo dojde-li k výpadku dodávky elektřiny pro oběhová čerpadla, a to při energeticky využitelném slunečním svitu. Pro úplnost je nutno zmínit, že lze za stagnační stav považovat např. i stav při zatažené obloze. Při tomto stavu však k přehřátí kolektorů nedochází, a tak nebývá při řešení problematiky stagnace tento nízkoteplotní stav zmiňován, a pod pojmem stagnace je prakticky vždy uvažován pouze vysokoteplotní stav.

V případě této soustavy první situace nenastane, jelikož v letním období (konec dubna až září) je nejen možné ale většinou nutné chladit bazény, které nelze podchladit, neboť to výkon absorpční jednotky, vzhledem ke kapacitě a solárním ziskům, neumožňuje. Nižší teplota vody v bazénech je navíc pro zvířata žádoucí, takže lze předpokládat, že všechny solární zisky budou vždy využity pro chlazení.

Výpadek dodávky elektřiny je možný a nastává v ZOO několikrát ročně. Z tohoto důvodu jsou pohony všech čerpadel a systém měření a regulace zajištěny zálohovým zdrojem (motor/generátor). Toto řešení zajišťuje nejen solární soustavu, ale také částečně biologické čištění bazénové vody, které nemůže zůstat bez oběhu. Zálohový zdroj bude sestávat ze dvou nezávislých jednotek, což zvýší spolehlivost této zálohy a výrazně eliminuje možnost vzniku vážných havarijních poruch z důvodu výpadku dodávky elektřiny a vzniku vysokoteplotní stagnace.

Předpokládá se, že náhradní zdroje elektřiny zabrání výpadku, avšak pro případ poruchy nebo havárie je soustava standardně zajištěna klasickými prostředky.

Stagnační stavy u polí B a C zajistí expanzní nádoba, vč. pojistného ventilu ve strojovně. Avšak u pole A je situace odlišná. Pojistný ventil ve strojovně solární soustavy je vzdálený cca 75 m od pole A, proto bylo nutno přímo u tohoto pole umístit dílčí pojistný ventil se sběrnou nádobou.

Správné chování solární soustavy je podmíněno správnou velikostí expanzní nádoby. Pokud ke stagnaci dojde, korektní návrh expanzní nádoby zajistí pohlcení zvětšeného objemu nemrznoucí směsi vody a propylenglykolu (dále jen PG), a to v kapalné i parní fázi. Nedochází k otevírání pojistného ventilu a neztrácí se teplonosná kapalina odfukem. Při nedostatečném objemu expanzní nádoby dojde ke zvýšení tlaku nad projekční hodnotu (např. 600 kPa přetl.) a odfuku tekutiny do externího prostředí. Je nutno zdůraznit, že správná velikost expanzní nádoby je známkou zvládnutí stagnace, znamená však, že objem bude větší, než jsou běžné topenářské návrhy.

Abychom mohli zjistit zvětšený objem par při stagnaci, musíme zjistit následné veličiny.

Stagnační teplota

Pod pojmem stagnační teplota bude v následujícím uvažována taková teplota teplonosné látky v kolektoru, při níž se v kapalině začnou vytvářet první bublinky páry.

Teplotu počátku varu lze pro běžné intervaly tlaků směsi vody a PG s hmotnostní koncentrací 40 % PG stanovit na základě vzorce

kde za

• p [kPa] je dosazován absolutní tlak v soustavě v místě vypařování [1].
  Na obr. 4 je znázorněn průběh této závislosti.

Od této teploty se odvíjí další dva důležité parametry, kterými jsou stagnační a parní výkon kolektoru.

Teoretický stagnační výkon kolektoru

Teoretický stagnační výkon kolektoru lze vypočítat s použitím stagnační teploty t, je-li dále známa hodnota aktuálního slunečního ozáření během stagnace G, teplota venkovního vzduchu t_e a jsou-li známé vlastnosti kolektoru popsané koeficienty účinnostní charakteristiky (h_{0, a1, a2})

Teoretický stagnační výkon je výpočtovou hodnotou a je jedním ze vstupních údajů potřebných pro výpočet správných parametrů expanzní nádoby.

Při monitorovacích měřeních na realizovaných solárních polích [1] však bylo zjištěno, že skutečné chování během stagnace neodpovídá hodnotám teoreticky stanoveného stagnačního výkonu. Zvláště se tato odlišnost projevuje u vakuových trubicových kolektorů a kolektorů s vysoce selektivním povrchem. Skutečná naměřená hodnota stagnačního výkonu je nazývána parním výkonem. Parní výkon ovlivňuje příliš mnoho faktorů a nelze jej de facto exaktně stanovit.

Bylo zjištěno, že i při nulovém teoretickém stagnačním výkonu dochází v některých kolektorech, a při některých způsobech zapojení, k tvorbě páry a skutečný parní výkon není nulový, na druhé straně, při vysokých teoretických stagnačních výkonech, skutečný parní výkon jejich výši nedosahuje. Na tuto skutečnost má velký vliv vyprazdňovací schopnost kolektorového pole (tedy nezáleží jen na samotném typu kolektoru, ale i na způsobu jejich propojení v rámci pole a zapojení pole do soustavy).

Vyprazdňovací schopnost znamená v jaké míře je schopna v kolektorovém poli vyvíjená pára vytlačovat kapalinu z kolektorů. Teoreticky, dokonalou vyprazdňovací schopnost budou mít taková pole, ze kterých by vytvořená pára byla schopna vytlačit veškerou tekutinu mimo kolektorové pole. K tomuto stavu úplného vytlačení, že by v kolektorovém poli byla pouze pára, však reálně nedochází.

Graficky jsou výsledky publikované v [1] rámcově shrnuty v grafu na obr. 5. Jsou zde znázorněny oblasti, ve kterých se pohybovaly měřené reálné soustavy. Modře vyznačená oblast platí pro kolektory s velmi špatnou vyprazdňovací schopností a lze si zde představit trubicové vakuové protékané kolektory umístěné s trubicemi ve směru shora dolů. Červeně vyznačená oblast představuje kolektory s průměrnou vyprazdňovací schopností, zastoupenou skupinou kolektorů s lyrovým řešením odvodu tepla z absorbéru v horizontální orientaci (trubičky pod absorbérem jsou orientovány horizontálně, sběrné trubky jsou pak orientovány shora dolů) a přívodem i odvodem teplonosné kapaliny shora.

Horní mez oblasti znamená maximálně dosažené hodnoty, spodní hranice je průměrem z celého měření. Jelikož pro projekční práce jsou důležité hodnoty od průměrů k maximu, není oblast mezi minimálními hodnotami a průměrem vyznačena.

Kolektory a pole s velmi dobrou vyprazdňovací schopností, kam patří ty s přívodem zdola a odvodem shora, nejsou zde uvedeny.

Příčinou rozdílu mezi teoretickým stagnačním výkonem a skutečným parním výkonem je nerovnoměrnost rozložení teploty v kolektoru, kde v některých částech je již pára ve stavu přehřátí, zatímco v dolních částech kolektoru je kapalina pod teplotou varu. Mezi těmito úrovněmi pak dochází k stavovým změnám mezi vroucí kapalinou a sytou parou. Nižší teplota v místech, kde je přítomno mnoho kapaliny, zvyšuje účinnost kolektoru a vede ke zvýšení tvorby syté páry. Je-li vytlačována z kolektoru při dobré vyprazdňovací schopnosti jen kapalina, zmenší se takto účinná plocha kolektorů pro tvorbu páry a sníží se parní výkon.

Pro návrh expanzní nádoby je nejdůležitějším údajem možné množství tekutiny vtlačené do nádoby při vývinu páry v kolektorech během stagnace. Toto množství je hlavně závislé na parním výkonu kolektoru. Vzhledem k tomu, že výpočtem nelze tuto hodnotu exaktně stanovit, byla provedena měření a tyto hodnoty jsou v projekční praxi používány.

U kolektorů, případně soustav s dobrou schopností vyprazdňování, probíhá proces stagnace bez problémů a dosah páry mimo kolektorové pole je minimální. Naproti tomu při špatné vyprazdňovací schopnosti může objem vyvíjející se páry z kapaliny, která je uzavřena v kolektoru, značně přesáhnout objem kolektorů. Dojde tak k situaci, že pára vytlačená z kolektorů má značný dosah a extrémně může dosáhnout až do strojovny a může tepelně namáhat nebo i poškodit konstrukční prvky solární soustavy.

Objem páry v potrubí solární soustavy se stanoví z maximální délky potrubí, která je zapotřebí pro odvedení tepla parního výkonu viz tab. 2.

Touto metodou vypočtený objem páry v potrubí je hraniční hodnotou a lze jej použít při návrhu objemu expanzní nádoby. Je nutno brát v úvahu, že množství páry vytvořené v kolektoru se zmenší o kondenzaci způsobenou tepelnými ztrátami v potrubní soustavě.

Měřením bylo zjištěno, že při běžných podmínkách dosahuje tepelný výkon u plochých kolektorů při tvorbě páry cca 30 až 90 W/m² kolektorové plochy, maximálně až 120 W/m².

V případě řešené solární soustavy pro absorpční chlazení jsou použity kvalitní vakuové trubicové kolektory s maximálním parním výkonem 200 W/m². Při cca 160 m² kolektorové plochy bude parní výkon 32 kW. Potřebná délka k odvedení tohoto výkonu by musela být cca 780 bm při měrné tepelné ztrátě 41 W/bm. Taková délka potrubí ani v obou směrech není k dispozici a proto musel být použit vzduchový chladič.

V solární strojovně jsou navrženy dva vzduchové chladiče (obr. 6), které přirozeným prouděním vzduchu odvedou kondenzační teplo směsi propylenglykolových a vodních par do okolního prostředí. Páry v chladičích zkondenzují a sníží tak svůj objem a částečně i teplotu.

Vzduchové chladiče mají maximální povolenou teplotu par 180 °C při maximálním přetlaku 600 kPa. Uspořádání trubiček v chladiči umožňuje odtok kondenzátu a snižuje tak maximálně nebezpečí vodních rázů.

Přesměrování toku do chladiče zajistí zpětné ventily, které otevírají cestu při stagnačním stavu. Zpětné ventily musí mít stejnou odolnost jako chladiče. Jejich použití snižuje náklady oproti ventilům s pohony. Problémem jsou pohony pro teploty cca 180 °C a dále funkčnost při výpadku elektrické energie. Pro tuto kombinaci technických parametrů je velmi málo výrobků, všechny ve vysokých cenových hladinách.

Zpětné ventily musí být osazeny s respektováním správného směru proudění. Při normální funkci solární soustavy čerpadlo zavírá ventil u chladičů a otvírá ventil na výtlaku. Při stagnaci, kdy čerpadlo je mimo provoz, je to obráceně. Hybnou silou je tlak páry v kolektorech, který otevírá a zavírá ventily obráceně, tzn., že průtok je přes chladiče. Zde dojde ke kondenzaci a dochlazení kondenzátu, čímž jsou ochráněny komponenty solárního okruhu ve strojovně.

Teplota směsi par vody a PG přicházející do strojovny může být 165 až 175 °C v závislosti na tlaku a koncentraci PG. Armatury použité na primární straně (mezi výměníkem a kolektory) musí mít tepelnou odolnost 180 °C. Totéž platí o pájeném deskovém výměníku tepla.

Závěr

Projekt je příkladem návrhu nejen solární soustavy s členěným solárním polem na různých objektech, ale zvláště využitím reálných hodnot parního výkonu kolektorů pro návrh správné velikosti expanzní nádoby, a tím i spolehlivou funkcí soustavy.

Poděkování

Článek byl zpracován s laskavou podporou projektu ENET – Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie (CZ.1.05/2.1.00/03.0069).

Literatura

1. SCHEUREN, J., EISMANN, W. Stagnationsuntersuchungen in den Kollektorkreisen hochdimensionierter großer thermischer Solaranlagen. Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH), 2007.
2. KRAMOLIŠ, P., VRTEK, M. Řešení stagnačních stavů solárních soustav. Topenářství instalace. 2008, č. 1, s. 46–51. ISSN 1211-0906.

---

The solar thermal system for absorp­tion refrigeration

The author shows the installation of a solar system for absorption refrigeration. The heat from the solar system will be also used in heating system. The authors therefore solves the collector stagnation and ways to vent excess heat.

Keywords: solar system, stagnation of solar thermal collectors