Výměník tepla je stejně důležitý jako solární kolektor

obnovitelné zdroje energie

Článek v úvodu shrnuje základní požadavky na instalaci solární soustavy. Autor se zaměřuje na vhodná řešení jednotlivých konstrukčních prvků a jejich vliv na celkovou účinnost solární soustavy. V druhé polovině článku je ukázán řešený příklad instalace solárních panelů s naprosto nevhodným technickým řešením zapojení solární soustavy. V závěru článku jsou jednotlivě popsány hlavní nedostatky této solární soustavy, které lze zobecnit a využívat při návrhu solárních soustav.

Recenzent: Roman Vavřička

Sluneční energie je zadarmo, ale zařízení pro její využití zadarmo zdaleka není. Podobně jako například tepelná čerpadla může solární technika přinášet užitek jen tehdy, bude-li mít podmínky pro efektivní činnost. Nestačí energii získat přeměnou slunečního záření na teplo. Získanou energii musíme mít možnost účelně využít.

Vývoji solárních kolektorů je věnována pozornost již po dobu delší než 40 let. Máme k dispozici kolektory vhodné pro instalaci v soustavách pro přípravu teplé vody, vytápění i pro technologické využití. Solární kolektor je důležitý zdroj tepla a jeho možnosti v praxi ještě nejsou zcela vyčerpány. Neméně důležité jsou však i ostatní konstrukční prvky, použité v solární soustavě, a způsob ­jejich zapojení do soustavy. Solární technika je v podstatě běžně známá, používaná, přesto se v praxi stále objevují případy, které zapomínají na zásadní pravidlo: „Účinnost každé soustavy je limitována účinností nejhoršího prvku.“

Výměník tepla

Nejčastější příčinou nízké účinnosti solárních soustav bývá výměník tepla. Solární výměník by měl být schopen přenášet maximální výkon kolektorového pole při teplotním rozdílu mezi ohřívací a ohřívanou kapalinou v rozmezí 5 až 8 K. Tento teplotní spád je pro provoz výměníku nutný, ale v podstatě představuje ztrátu, neboť solární soustava musí pracovat s vyšší teplotou, tedy s menší účinností. Čím více je do soustavy vloženo výměníků za sebou, tím větší ztráta a nižší účinnost.

Přenos tepla ve výměníku se skládá z přestupu tepla z ohřívané kapaliny do materiálu teplosměnné plochy výměníku, vedení tepla materiálem plochy a přestupu tepla z materiálu teplo­směnné plochy do ohřívané kapaliny.

Velikost teplosměnné plochy je mimo jiné odvozována od velikosti součinitelů přestupu tepla na vnitřní a vnější straně výměníku. Při návrhu výměníku je základním požadavkem, aby součinitelé přestupu tepla na vnitřní a vnější straně výměníku byly alespoň řádově stejné. Je-li jeden z nich mnohonásobně menší, je nutné při výpočtech vycházet z něj a k přestupu požadovaného množství tepla je pak zapotřebí mnohem větší teplosměnná plocha. Tedy větší a dražší výměník.

Velikost součinitele přestupu tepla podstatnou měrou závisí na intenzitě proudění kapaliny kolem teplosměnné plochy. Proto má být cílem projekčních a konstrukčních prací dosáhnout co nejvíce se shodujících intenzit proudění po obou stranách teplosměnné plochy. Cíle lze uspokojivě dosáhnout po­užitím deskových výměníků.

V akumulačních výměnících, založených na spirálovitě stočené trubce v nádobě, je intenzita proudění na vnější straně trubky mnohonásobně menší než uvnitř trubky. Průtok trubkou je zajištěn nuceným způsobem, takže jej lze ovlivnit správným návrhem hydrauliky okruhu. Na vnější straně výměníkové trubky však intenzita proudění závisí jen na přirozeném vztlaku, tedy rozdílu měrné hmotnosti různě teplé vody, a to s teplotním rozdílem jen několika stupňů K. Proto jsou tyto výměníky na vnější straně často řešeny jako žebrovaná trubka s mnohonásobně větší přestupní plochou, než je vnitřní plocha trubky, aby se alespoň částečně vyrovnal deficit koeficientu přestupu tepla a snížené intenzity proudění na vnějšku trubky. Při požadavku na dokonalou stratifikaci, tedy teplotní rozvrstvení v zásobníku, je velká intenzita proudění v zásobníku nežádoucí, neboť požadované teplotní rozvrstvení narušuje.

Obr. 1 • Kolektorová pole jsou složena z 15 trubicových kolektorů

Akumulace tepla

S ohledem na proměnlivou intenzitu slunečního záření se bez akumulace tepla neobejdeme, chceme-li co nejvíce tepla získatelného kolektory využít. V praxi, i ze závěrů řady studií založených na počítačových simulacích, se ukazuje, že pokud akumulujeme teplo ve vodě, je v našich zeměpisných podmínkách nejvhodnější volit velikost akumulační nádoby s objemem cca 60 litrů na 1 m² plochých kolektorů. Pokud to není záměr projektu, tak za současných ekonomických podmínek platí, že bude-li objem akumulace menší než 40 l/m², bude to mít negativní vliv na účinnost soustavy. Při větším akumulačním objemu než 70 l/m² se účinnost soustavy podstatně nezvýší.

U velkých zařízení je někdy žádoucí rozdělit akumulaci do několika akumulačních nádob. V tomto případě je nutné zajistit, aby se nejdříve ohřívala akumulační nádoba instalovaná na výstupu. Při přípravě teplé vody je výhodné solární soustavou ohřívat nejprve malé množství vody na využitelnou teplotu, například 50 °C, aby byl podíl doplňkové energie potřebné pro dohřev co nejmenší. Teprve po nahřátí první akumulační nádoby začít solární soustavou nahřívat nádobu další.

Regulace

Nastavení regulace, optimální volba teplotních diferencí a ověření funkce všech stavů včetně stagnace je zásadní záležitost, která může i z vynikající soustavy udělat soustavu průměrnou až podprůměrnou.

Příklad z praxe

Ve své praxi jsem se setkal s několika solárními soustavami pro přípravu teplé vody, jejichž účinnost je velmi nízká, přestože byly sestaveny z kvalitních konstrukčních prvků. V dále popisované soustavě byly použity trubicové vakuované solární kolektory typu Heat Pipe s tepelnými trubicemi. Stagnační teplota kolektorů je 245 °C. Soustava byla vložena do stávajícího systému přípravy teplé vody napojené na CZT.

Schéma zapojení soustavy je vidět na obrázku 2. Kolektory po patnácti trubicích jsou propojeny do tří kolektorových polí. Každé pole je napojeno na jeden akumulační výměník, ve kterém je teplo získané kolektorovým polem předáváno nízkotuhnoucí solární kapalinou prostřednictvím spirálovitě stočené trubky procházející po celé výšce nádoby výměníku do sekundárního okruhu. Tyto akumulační výměníky jsou instalovány v předávacích stanicích na střeše objektu, jsou vystavené vnějšímu prostředí včetně podnulových teplot v zimě.

Obr. 2 • Schéma zapojení popisované soustavy

Všechny tři střešní akumulační výměníky jsou paralelně spojeny do sekundárního okruhu, na který jsou, rovněž paralelně, napojeny velké akumulační nádoby umístěné v suterénu objektu. Teplonosnou látkou v tomto sekundárním okruhu je voda.

Akumulační nádoby v suterénu jsou rovněž opatřeny trubkovou spirálovitou teplosměnnou plochou procházející po celé výšce nádoby. V každé nádobě jsou tři paralelně řazené spirálovité teplosměnné plochy. Akumulační nádoby jsou zapojeny v sérii za sebou. Spojením vzniklá přestupní plocha, procházející všemi nádobami, je určena k průtokové přípravě teplé vody.

Nabíjení akumulačních nádob v suterénu řídí regulace přes ovládání trojcestných ventilů ke každé nádobě.

Na výstupu ohřáté, případně předehřáté teplé vody, za poslední akumulační nádrží, je instalován třícestný směšovací ventil se servopohonem, který řízeným směšováním se studenou pitnou vodou omezuje výstupní teplotu teplé vody na 50 °C. Následně proudí teplá voda do stávajícího ohřívacího zařízení napojeného na CZT.

Není-li zajištěn odběr teplé vody, tedy zachyceného tepla, zejména při intenzivním slunečním svitu, je pro zabránění vzniku stagnačního stavu, a odvod přebytečného tepla, instalován na střeše vzduchový chladič s ventilátorem. V rozporu s osvědčenými zvyklostmi není chladič zapojen do primárního okruhu s kolektory, ale až do sekundárního okruhu s vodou mezi akumulační výměníky na střeše a akumulační nádoby v suterénu. Toto řešení vyžaduje, aby v sekundárním okruhu cirkulovala dostatečně teplá voda, aby na něj napojený chladič byl chráněn proti zamrznutí při podnulových venkovních teplotách.

Obr. 3 • Okruh cirkulace prochází všemi akumulačními nádobami v suterénu. Třícestný směšovací ventil se servopohonem, na obrázku v popředí, omezuje výstupní teplotu teplé vody ze solární soustavy na 50 °C

Vady soustavy

Při posuzování soustavy bylo zjištěno, že vykazuje tyto vady:

• Zařízení je instalováno bez projektové dokumentace. Instalace byla provedena podle obecného schématu zapojení bez přihlédnutí k specifikům takto složité soustavy.
• Nejsou uvedeny výchozí energetické bilance, hydraulická ztráta primárních a sekundárních okruhů, není doložen výpočet výměníků tepla a akumulačních nádrží, tloušťky a druh tepelných izolací.
• Kolektorová plocha je téměř dvojnásobně předimenzovaná, než odpovídá množství ohřívané vody. Je natolik velká, že vyvolává vysokou četnost stagnačních stavů nepřiměřeně zkracujících životnost solární kapaliny a teplotně méně odolných prvků v soustavě při neobvykle vysokém výskytu stavů, které ohrožují i bezpečnost jejího provozu.
• Soustava obsahuje několik akumulačních nádrží řazených do série. Tento fakt by nemusel být v obecném případě vadou, ale v daném případě se významně podílí na snížení efektivity soustavy. Hydraulický odpor akumulačních nádrží je nepřiměřeně velký oproti přímému vedení studené vody. To způsobuje nerovnoměrnost teploty vody ve výtokových bateriích.
• Není k dispozici popis funkce, není stanoven algoritmus nabíjení akumulačních nádob. V průběhu času byl algoritmus několikrát měněn, aniž by se dosáhlo výrazného zlepšení.
• Oběhové čerpadlo sekundárního okruhu je v činnosti nepřetržitě i v noci, zřejmě z důvodu protizámrzné ochrany vzduchového výměníku chladiče. Zbytečný chod oběhového čerpadla zvyšuje podíl pomocné elektrické energie.
• Koncepce zařízení je nevhodná. Energie, které dopadá na kolektor, prochází přes tři výměníky, teplo­směnné plochy. První je teplosměnná plocha kondenzátoru tepelné trubice, kde teplo z par pracovní látky trubice přechází do solární kapaliny. Tento výměník je velmi účinný a nelze se bez něj obejít. Druhá plocha je ve střešních akumulačních výměnících. Odděluje okruh solární kapaliny od sekundárního okruhu s vodou. Je tedy nutná s ohledem na hygienické požadavky. Třetí přestupná plocha je v akumulačních nádobách v suterénu. Obecně nutná není, je dána pouze nevhodně zvoleným technickým řešením.
• Výkon akumulačních výměníků tepla na střeše je nedostatečný. Při intenzivním slunečním svitu dochází často ke stagnaci. Tyto výměníky totiž nejsou schopné dostatečně rychle přenést teplo do sekundárního okruhu tak, aby z něj mohlo být přebytečné teplo odvedeno chladičem.
• Při stagnační teplotě kolektorů 245 °C solární kapalina podléhá chemickým změnám, znehodnocuje se, vytváří se usazeniny na teplosměnných plochách výměníků, zvyšuje se agresivita kapaliny vůči konstrukčním materiálům a těsnění.
• Solární kolektory nejsou dostatečně chráněny proti překročení povoleného tlaku.
• Kolektorová pole jsou rozsáhlá, přesto je pojistný ventil primárního okruhu instalován až ve výměníkové stanici na střeše. Proti překročení povoleného tlaku by měly být kolektory chráněny havarijním pojistným ventilem instalovaným na výstupu z každého kolektorového pole. Je to přikázáno ČSN 06 0830 a skutečně může dojít k havárii. Při tlaku 6 bar (otevírací tlak pojistného ventilu instalovaného ve výměníkové stanici) je bod varu nízkotuhnoucí kapaliny (směs 50 % glykolu) 220 °C. Při otevření pojistného ventilu rychle poklesne tlak a přehřátá kapalina se okamžitě mění v páru. Pára prudce expanduje a způsobí výbuch. Setrvačné síly sloupce kapaliny v potrubí mezi kolektory a vzdáleným pojistným ventilem ve výměníkové stanici neumožní dostatečně rychlý pokles tlaku v kolektoru, a proto hrozí jeho destrukce. Rázy v potrubí se projevují kromě zvukových efektů i kmitáním potrubí v horizontálním i vertikálním směru.
• Část tepelných izolací primárního okruhu ve vnějším prostředí není chráněna proti poškození ptactvem.
• Membrána tlakových expanzních nádob primárních okruhů není chráněna proti expozici nadměrnou teplotou v důsledku četných stagnačních stavů.
• Směšovací ventil omezující maximální teplotu teplé vody na 50 °C je instalován před vstupem do dohřívacího zařízení. Důsledkem je velmi četné dohřívání teplé vody z CZT, i když by to nebylo zapotřebí.
• Cirkulační potrubí teplé vody je zaústěno do spodní části první akumulační nádoby v suterénu. Cirkulační voda proto protéká všemi akumulačními nádržemi. Tím přispívá k vyrovnávání teplot ve všech akumulačních nádržích, vyvolává nutnost použít dohřev z CZT a snižuje účinnost sy­stému. Cirkulační potrubí není opatřeno tepelnou izolací.
• Značné množství kolektory získané energie je mařeno v chladiči sekundárního okruhu.
• Zařízení spotřebovává nepřiměřeně velké množství pomocné energie.
• Podíl energie získané solárním sy­stémem potřebné pro přípravu teplé vody na množství energie dodávané teplárnou, tedy solární pokrytí, je v důsledku všech chyb nízký a dosahuje přibližně jen 30 %, přestože je kolektorová plocha dvojnásobně předimenzovaná oproti obvyklým řešením, která umožňují zhruba dvojnásobně větší solární pokrytí.
• Ode dne spuštění solárního zařízení se vyskytují stížnosti obyvatel objektu na nedostatečný tlak teplé vody v horních patrech. V určitých hodinách, zpravidla večer, teplá voda v horních patrech neteče vůbec. Pokud teplá voda teče, je nutné během sprchování páku vodovodní baterie několikrát přenastavit, protože se voda náhle a nepředvídatelně ochlazuje. Je to způsobeno měnícími se hydraulickými odpory v potrubí teplé vody způsobenými dodatečnou instalací solárního zařízení, se kterými původní projekt domovního vodovodu nepočítal. Teplá voda, oproti původnímu stavu, protéká navíc čtyřmi sériově řazenými trubkovými výměníky v akumulačních nádobách v suterénu. Rozdílné hydraulické odpory v potrubní trase studené a teplé vody a jejich změny v závislosti na průtocích způsobují výše uvedené problémy.

Obr. 4 • Vzduchový chladič, který má řešit stagnační stavy

Závěr

Při zvážení výše investice do solárního zařízení a její obvykle delší návratnosti, by měl stát požadavek na optimalizované technické řešení na prvním místě. Proto je velice smutné, že se v praxi uplatní i solární zařízení s velmi nízkou účinností, které solární technologii nedělá dobrou reklamu. Že stížnost na dodavatele takového zařízení končí až u soudu, není vůbec překvapující.

The heat exchanger is as important as the solar thermal collector

Author first describes the basic requirements of the solar system. Not suitable technical solution of the solar system is then presented on real installation.

Keywords: solar system, mistakes in solar system