Vliv zapojení potrubí do zásobníku tepla pro solární soustavy

Zapojení akumulátoru tepla má podstatný vliv na využití akumulačních schopností nádoby nejen v solárních soustavách. Stále se setkáváme se zcela nesmyslným připojováním akumulačních nádob. V článku je uvedeno nejvhodnější připojení, které bylo ověřeno pomocí numerické optimalizace.

Recenzent: Jiří Matějček

Úvod

Solární soustavy jsou dnes běžně navrhovaným a používaným zařízením pro přípravu teplé vody (TV), vytápění, popř. kombinací obojího [1]. V principu jde sice o velmi jednoduchá zařízení, ale jejich praktická realizace není zcela triviální záležitostí. Výsledný výkon solární soustavy je ovlivněn správným návrhem projektanta, a také kvalitní a odbornou montáží. Často i drobný konstrukční detail může mít vliv na výkonnost solárního soustavy. V případě použití přípravy TV pomocí deskového výměníku ukazují případy z praxe [2], že ne vždy je zapojení zásobníku TV správné, což v konečném důsledku snižuje přínos solární soustavy. Bohužel někdy ani sami projektanti netuší, jak velký význam má zapojení zásobníku. Tento článek se zabývá CFD optimalizací způsobu zapojení akumulační nádrže pro přípravu TV v solární soustavě v případě nepřímého ohřevu zásobníku s deskovým výměníkem. Cílem bylo získat aplikovatelné výstupy a na jejich základě formulovat doporučení pro projektanty.

Výkon solární soustavy z pohledu zapojení zásobníku

Efektivní návrh solárního zařízení vyžaduje, aby teplota vratné kapaliny v solárním okruhu byla co nejnižší [3]. Se vzrůstem teplotní diference mezi přívodem a vratem v solárním okruhu roste i výkon kolektoru, dle vztahu (1). Kde Q [W] je výkon, m [kg·s^–1] je měrný objemový průtok teplonosné látky, cje tepelná kapacita teplonosné látky [J·kg^–1·K^–1] a Dt [K] je teplotní rozdíl teplonosné látky. Z našeho pohledu je zajímavá možnost změny hodnoty Dt na maximálně možnou úroveň, průtočné množství m je obvykle konstantní. Může být však proměnlivé v čase v závislosti na typu použitého oběhového čerpadla. Jistý vliv na průtok má také změna teploty teplonosné látky, např. propylenglykolu. Obecně u těchto kapalin platí, že s klesající teplotou roste kinematická viskozita, a tím i tlaková ztráta [4].

Zaměřme pozornost na teplotní rozdíl mezi přívodem a vratem solární soustavy. Snížení teploty vratu je možné dosáhnout vhodným zapojením zásobníku. To se týká případu, kdy se použije deskový výměník. Pokud budeme ohřívat zásobník pomocí trubkového výměníku umístěného přímo v nádrži, bude situace odlišná. V případě ohřevu pomocí deskového výměníku má velký vliv na výsledné rozložení teplot proudění vstupujících kapalin. Pozice napojení přívodního a vrátného potrubí sekundární strany deskového výměníku do zásobníku ovlivňuje jednak výstupní teplotu TV, ale také teplotu vratného potrubí do výměníku.

Nejde jen o to zásobník nějakým způsobem zapojit do soustavy, důležité je zásobník zapojit tak, abychom zbytečně nesnižovali účinnost soustavy. Z hlediska realizace solárního soustavy je napojení zásobníku záležitostí, která má velký vliv na celkový provoz.

Numerická optimalizace zapojení zásobníku TV

Vlastní simulace byla zpracována v softwaru, který využívá CFD simulací. Bylo zvoleno schéma solárního zařízení dle obr. 1, které je typické v případě použití deskového zásobníku. Solární okruh je oddělen od zásobníku deskovým výměníkem. Objem zásobníku je 1 m³ a jeho výška 2400 mm. Model předpokládal požití 12 m² běžných ­solárních kolektorů v zapojení high-flow. V solárním okruhu je nemrznoucí teplonosná látka pro celoroční provoz, v okruhu deskového výměníku a zásobníku je voda. Zapojení akumulačního zásobníku TV bylo optimalizováno pomocí numerického modelu s cílem nalezení ideální polohy vratného a přívodního potrubí do výměníku s ohledem na účinnost solárního kolektoru. Posuzován je provoz v letním období, kdy je dostačující pouze ohřev solárními panely, bez dalšího zdroje tepla. V průběhu ohřevu není samozřejmě výkon solárních panelů konstantní, ale je proměnlivý, odvislý od intenzity slunečního svitu. Tato skutečnost je zanedbána, je uvažováno s ustáleným teplotním stavem dodávky i odběru tepla a provozem cirkulace. Předpokládá se, že principy odvozené od zvolených teplot budou platit obecně i pro jiné teploty. Tento předpoklad sice plně nemusí odpovídat realitě provozu solárního soustavy, avšak pro demonstraci vlivu zapojení je postačující. Snaha byla namodelovat zásobník za provozu, tj. když je odebírána TV a zároveň je zásobník napouštěn studenou vodou, k tomu je v provozu solární soustava.

Celkem byly zvoleny 4 různé způsoby zapojení zásobníku, které se testovaly numerickým modelem. Pro tuto úlohu byl použit 3D model. Všechny 4 varianty mají stejné vstupní podmínky týkající se průtoku vody a teplot, liší se pouze v umístění přívodního a vratného potrubí deskového výměníku, tak aby bylo porovnání objektivní. Detaily zapojení variant jsou na obrázku 2. Samozřejmě způsobů zapojení je mnoho, byly zvoleny nejpoužívanější varianty zapojení.

Energetická bilance zásobníku odpovídá vztahu (2). V této bilanci je zanedbána tepelná ztráta zásobníku, protože nemá v tomto případě zásadní vliv na rozložení teplot, a také může být různá podle typu a kvality izolace zásobníku.

Simulace byla provedena pro ustálený teplotní stav. Každá ze čtyř variant se ověřila výpočtem pro teplotu přívodu z výměníku 60 °C. I zde platí, že reálně tyto teploty mohou být různé v závislosti na výkonu solární soustavy. Vlastnosti vstupních hodnot jednotlivých kapalin vtékajících do zásobníku jsou vyjádřeny v tab. 1.

V rámci výpočtu se předpokládá ustálený stav průtoků kapalin. Tato skutečnost neodpovídá zcela realitě, kdy se spotřeba TV v čase mění. Pro určení umístění připojení je však tento předpoklad možný.

Výsledky simulace

Číselné výsledky numerické simulace jsou uvedeny kompletně v tab. 2. V obr. 3 je grafický výstup rozložení teplot pro teplotu přívodu z výměníku 60 °C.

Obr. 3 • Výsledek simulace pro teplotu přívodu 60 °C, zleva varianta 1 až 4

Závěr

Výsledky simulace ukázaly, že jednoznačně nejlepší způsob zapojení pro dané okrajové podmínky je podle varianty 2. Byť výsledky jednotlivých variant nejsou zásadně odlišné, jisté rozdíly zde jsou. Výsledná teplota vratné vody do solární soustavy u varianty 2 je nejnižší a teplota TV je současně nejvyšší, ve srovnání s jinými variantami. To znamená, že při tomto zapojení je i nejvyšší teplotní rozdíl na vstupu a výstupu mezi zásobníkem a solární soustavou, což znamená nejlepší účinnost solární soustavy z daných variant. Varianta 1 je pak, co se týče výsledků druhou nejlepší. Varianta 4, kdy přívod i vrat je ve spodní části zásobníku, má nejhorší výsledky, paradoxně je tento způsob zapojení velmi používaný v praxi. Ovšem pozor, v případě, že bude použit trubkový výměník vnořený do zásobníku, budou výsledky jiné, byť připojení tohoto výměníku bude jako u varianty 4. V případě užití trubkového výměníku bude totiž jiné proudění kapalin v zásobníku. Experiment potvrdil, že způsob zapojení potrubí má vliv na provozní účinnost solárního zařízení a na výstupní teplotu TV. Dále platí, že závěry vyvozené z článku se týkají pouze těch případů, kdy dochází k ohřevu zásobníku jen solárním zařízením. V případě použití doplňkového zdroje tepla bude rovněž situace odlišná, v závislosti na umístění tohoto zdroje tepla v zásobníku.

Poděkování

Článek byl zpracován s přispěním projektu specifického výzkumu FAST-S-12-17 – Systémy techniky prostředí pro trvale udržitelnou výstavbu.

Literatura

1. VALENTA V. a kolektiv, Topenářská příručka, Praha, GAS 2001, s. 117–126. ISBN 80-86176-81-9.
2. PAVLICA O., HOŘÍNKOVÁ L., Efektivní využití solárního systému pro předehřev teplé vody v rámci systému CZT, Konference Juniorstav 2009, Brno, CERM 2009. ISBN 978-80-214-3810-1.
3. REMMERS K. H. a kolektiv, Velká solární zařízení, Brno, Era group 2007. 315 s. ISBN 978-80-7366-110-6.
4. HORÁK, P., Problematika hydraulického dimenzování solárních soustav, Konference Vytápění – Třeboň 2011, Praha, Společnost pro techniku prostředí 2011. ISBN 978-80-02-02291-6.

---

Influence pipework in to the heat storage for solar systems

This article deals with CFD optimization of connection type storage tank for DHW in the solar system in the case of indirect heating tank with plate heat exchanger. The aim was to obtain applicable outputs and on their basis to formulate recommendations for designers.

Keywords: piping, connections, solar, ­assembly, simulation