Soustava pro ohřev vody sluneční energií pracující v noci

obnovitelné zdroje energie

Sluneční energie se vyznačuje proměnlivou intenzitou. Zpravidla není v souladu čas slunečního svitu a doba, kdy potřebujeme připravovat teplou vodu. Proto je používána osvědčená koncepce solární soustavy založená na instalaci slunečních kolektorů na střeše objektu, akumulačního výměníku tepla (výměníku tepla integrovaného do akumulačního zásobníku), diferenčního teplotního regulátoru, oběhového čerpadla a dalšího příslušenství.

Solárních soustav pro ohřev vody bylo instalováno již mnoho. Téměř vždy pracují spolehlivě a přinášejí očekávané energetické zisky a klient je spokojen.

V některých případech však vzniká zdánlivě nevysvětlitelný jev. Vnímavý provozovatel zjistí, že oběhové čerpadlo primárního okruhu je v činnosti i v temné noci, bez slunečního svitu. Následkem této nežádoucí činnosti čerpadla teplota v akumulačním výměníku poklesne o 10 i více K, aniž by provozovatel odebral jakékoliv, i malé, množství teplé vody.

K tomuto jevu dochází ve výjimečných případech a za určitých podmínek. Obvykle se jedná o zařízení s předimenzovanými kolektorovými plochami, při použití solárních kolektorů s vysokou účinností a dalších, dále popsaných skutečností.

Popis nevhodně řešené solární soustavy

• Zdrojem tepelné energie jsou kolektorová pole trubicových vakuovaných kolektorů.
• V soustavě je použit akumulační solární ohřívač. Ohřívač zajišťuje přenos tepla z primárního okruhu soustavy do vody v zásobníku a zvýšení její teploty.
• Studená voda je přiváděna do spodní části akumulační nádoby solárního ohřívače.
• Ohřátá voda se shromažďuje v horní části zásobníku.
• Teplosměnnou plochu solárního ohřívače tvoří spirálovitá trubka umístěná v dolní polovině akumulační nádoby, případně je ohřívač opatřen válcovou teplosměnnou plochou v jeho svislé části.
• Přibližně ve dvou třetinách výšky teplosměnné plochy je jímka pro teplotní čidlo snímající teplotu akumulované vody.

Během provozu je voda podle potřeby dohřívána na požadovanou teplotu v navazujícím elektrickém bojleru, případně elektrickou topnou vložkou umístěnou již v akumulačním výměníku, v akumulační nádobě nad teplosměnnou plochou napojenou na solární okruh.

V potrubním okruhu mezi kolektory a akumulačním ohřívačem je instalovaná solární stanice s oběhovým čerpadlem, průtokoměrem a manometrem. Zapínání a vypínání oběhového čerpadla řídí regulátor.

Regulátor snímá teplotu teplonosné kapaliny na výstupu z kolektorů a teplotu ohřívané vody v akumulační nádrži v místě čidla. Tyto teploty vzájemně porovnává. Teplotní diference mezi výstupem z kolektorů a teplotou vody v místě nádrže s teplotním čidlem je vlivem činnosti oběhového čerpadla zpravidla 4 až 14 K.

Proti překročení povoleného tlaku je kolektorový okruh chráněn tlakovou expanzní nádobou a pojistným ventilem.

Popis průběhu ohřívání vody

Studená voda je přiváděna do spodní části akumulační nádoby solárního ohřívače. Při slunečním svitu je voda ohřívána spirálovitou teplosměnnou plochou (případně válcovou teplosměnnou plochou).

Voda ohřátá od teplosměnné plochy relativně pomalu stoupá a shromažďuje se v horní části akumulační nádoby. Vytvoří se teplotní rozhraní mezi teplou vodou nahoře a studenou vodou v dolní části nádoby.

Teplotní rozhraní při ohřívání vody postupuje shora dolů do té doby, než dosáhne úrovně, kde je teplotní čidlo. Tedy přibližně do výše dvou třetin teplosměnné plochy. Ohřívání vody a činnost oběhového čerpadla jsou ukončeny, pokud teplotní rozdíl mezi teplotou na výstupu z kolektorů a teplotou v místě čidla v nádobě poklesne pod nastavenou diferenci, obvykle okolo 4 K:

• Je-li teplotní rozdíl mezi teplotou na výstupu z kolektorů a teplotou vody na teplotním čidle menší než nastavená hodnota na regulátoru, oběhové čerpadlo kolektorového okruhu vypne.
• Je-li teplota na výstupu z kolektorů vyšší než teplota na teplotním čidle v nádrži o hodnotu nastavenou na regulátoru, je oběhové čerpadlo v činnosti.

Při intenzivním slunečním svitu a ohřevu vody na vyšší teplotu se v nádobě vytvoří velmi úzké teplotní rozhraní mezi teplou a studenou vodou. Při velkých teplotních rozdílech je teplotní rozhraní v akumulační nádobě velmi přesné a odbývá se v rozmezí jednoho až tří centimetrů.

Teplota vody ve spodní části nádrže bývá cca 10 °C. Šířka teplotního rozhraní se zmenšuje a mírně posouvá vzhůru i v době, kdy není odběr teplé vody, a to na základě ustálení pohybu vody v nádobě, který podpoří zúžení teplotního rozhraní a vlivem tepelných ztrát obalem nádoby. Pokud při tomto pohybu teplotní rozhraní dosáhne k teplotnímu čidlu v nádrži, bude oběhové čerpadlo uvedeno do činnosti.

Tento stav může nastat při nedostatečném slunečním svitu a takové teplotě venkovního prostředí, která způsobí, že nastavený teplotní rozdíl na regulátoru bude překročen. Teplotní rozdíl na regulátoru je v tomto případě dán rozdílem mezi teplotou vnějšího prostředí, tedy i výstupu z kolektorů bez slunečního svitu a teploty studené vody ve spodní části nádoby. Proto i v noci bez slunečního svitu.

Část teplosměnné plochy se nachází nad teplotním čidlem, tedy v oblasti teplé vody.

Pokud je za těchto podmínek uvedeno do chodu oběhové čerpadlo, je teplo z ohřáté vody nad teplotním čidlem částečně odváděno horní třetinou teplosměnné plochy do spodní části teplosměnné plochy a jejím prostřednictvím do spodní části akumulační nádoby a dále částečně potrubím ke kolektorům. Teplá voda nad čidlem v prostoru, do kterého zasahuje výměník, je ochlazována. Dochází k rozrušení teplotního gradientu v nádrži a ke ztrátám tepla, které uniká z potrubí a kolektorů do okolního prostředí.

Tento nežádoucí proces se zastaví až po poklesu teplotní diference mezi teplotou na výstupu z kolektorů teplotou v místě čidla. Během něj je však část tepla ztracena a důsledkem je potřeba většího množství tepelné energie k přípravě teplé vody.

Jak výše popsanou vadu odstranit?

Některé typy akumulačních výměníků tepla mají nad horní hranou teplosměnné plochy vstupní otvor pro připojení cirkulačního potrubí. Není-li v objektu instalováno cirkulační potrubí, lze tento otvor použít k umístění jímky teplotního čidla diferenčního regulátoru.

Není-li možné jímku teplotního čidla instalovat nad horní hranu teplosměnné plochy výměníku, lze instalovat příložné teplotní čidlo na ocelový plášť akumulační nádoby ve výši horní hrany teplosměnné plochy.

Popsané umístění teplotního čidla pod horní hranou tepelného výměníku se vyskytuje i u výrobků některých renomovaných výrobců.

System for water heating by solar energy works at night

The author describes the cause of the operation of the solar system at night without sunshine. It is based on the location of the temperature sensor below the upper surface of the heat exchanger in the container.