Využití sluneční energie k chlazení budov (II)

Velikost celkové plochy kolektorů

Při navrhování celkové plochy kolektorů je třeba věnovat velkou pozornost výkonu solární soustavy a teplotnímu spádu. Základním požadavkem při dimenzování plochy kolektorů by mělo být, aby v letním období nedocházelo k přebytkům získávaného tepla. Množství tepelné energie, kterou můžeme získat z jednoho kolektoru, závisí na více okolnostech. Podstatný vliv má celkové množství využitelné sluneční energie. Zatímco například ve Freiburgu je jeho nabídka celkem asi 1270 kWh / (m² . rok), v Hannoveru to je jen 955 kWh / (m² . rok). Podstatnou roli hraje také typ kolektoru, jeho sklon a orientace. Pro první přibližný odhad plochy je možné odhadnout výkon jednoho kolektoru podle následujícího příkladu:

Účinnost trubkového kolektoru s vakuovanými trubkami typ Vitosol 200 (Viessmann) je 62 % - při teplotním rozdílu 80 K (teplota ohřáté vody 100 °C, teplota vzduchu 20 °C, obr. 7). Při slunečním záření přibližně 800 W/m² vychází měrný výkon kolektoru 500 W/m².

Obr. 7. Účinnosti kolektorů

Pro předběžný odhad lze při dané účinnosti kolektoru počítat s měrným ziskem tepla ze solárního kolektoru asi (4,5 - 5,0) kWh/(m².den). Jestliže se například z budovy odvádí teplo 300 kWh za den a COP chladicího agregátu = 0,7, vychází potřebný tepelný příkon pro pohon asi 430 kWh/den. Při měrném zisku 5,0 kWh/(m².den) pak vychází celková plocha kolektorů asi 86 m². Příklad uvádí jen první hrubý odhad, sloužící pouze pro orientaci. Skutečná požadovaná plocha kolektorů musí být vypočítána přesně, s ohledem na všechny působící vlivy (orientace a sklon kolektoru, typ kolektoru, dosažitelné celkové sluneční záření, atd.). Výrobci pro tento účel nabízejí podrobné podklady pro projektování a v současné době také výpočtové programy, jež práci výrazně ulehčují. Současně s bezpodmínečně nutným přesným výpočtem potřeby chladu v budově je tak možné zjistit i optimální plochu kolektorů.

Objemový průtok

Jak již bylo uvedeno, volba objemového průtoku (teplonosné látky - pozn. překl.) solární soustavou závisí na teplotním spádu, zadaném pro chladicí agregát. Objemový průtok okruhem kolektorů ovšem podstatným způsobem ovlivňuje provozní vlastnosti solární soustavy. Při stejné intenzitě slunečního záření, a tedy i při stejném výkonu kolektoru, vychází u velkého průtoku malý rozdíl teplot v okruhu a při malém průtoku je tomu naopak. Protože se u solárních soustav obvykle používá paralelní zapojení více kolektorových sekcí, musíme mít na zřeteli také bezpečnost provozu. U soustav solární klimatizace jsou proto vhodné velké objemové průtoky, běžně se vyskytující. Čím je průtok vyšší, tím jistější je zatékání do všech dílčích sekcí kolektorových ploch. Pro stanovení odpovídajících průtoků mohou posloužit ukazatelé z technických podkladů výrobce.

Měrné objemové průtoky se u plochých, případně trubkových kolektorů vyskytují různé, v závislosti na typu a výrobci. U každého kolektoru v téže sekci však musí být měrný průtok stejný. Rovnoměrného průtoku sekcemi lze docílit pomocí tzv. Tichelmannova zapojení propojovacího potrubí. Tím, že budou mít všechny kolektory (= zdroje tepla) stejný součet délek přívodního a zpětného potrubí - a tedy i stejné tlakové ztráty okruhu - lze u nich dosáhnout i přibližně stejného objemového průtoku.

Návrh velikosti akumulačního výměníku

Akumulační zásobník v okruhu solárních kolektorů není nezbytný. Energie získaná ze slunečního záření může být v podstatě využita i k přímé výrobě přebytku chladu, který je pak možné na straně spotřeby uložit do zásobníku s náplní ledu a využít později. Jestliže ale solární okruh má mít svůj akumulační zásobník, je jeho velikost závislá m.j. na časovém posuvu mezi dobou, kdy se sluneční energie získá a dobou, kdy je požadováno chlazení (obr. 8). Svoji úlohu zde hrají rovněž hmotnost budovy a zvolená "strategie" chlazení. Tak je například možné snížit teplotu vzduchu v budově ještě před dobou maximální spotřeby chladu o více stupňů, než je požadováno. Teplota zdiva se tak přizpůsobí pozdějšímu vyššímu přenosu tepla ze vzduchu. Tímto způsobem se chlad prakticky akumuluje do zdiva a akumulační zásobník v okruhu kolektorů může být menší nebo může zcela odpadnout.

Obr. 8. Časový posuv mezi dobou příkonu sluneční energie
a dobou, kdy je požadováno chlazení (obecné schéma)

Tepelná ztráta zásobníku nezávisí pouze na vlastnostech a tlouštce vrstvy tepelné izolace, nýbrž také na velikosti zásobníku. Čím je větší, tím je poměr mezi objemem a plochou výhodnější. Pokud to vymezený prostor dovolí, je vhodné dát přednost pouze jedinému akumulačnímu zásobníku. Jestliže - například z prostorových důvodů - padne volba na více menších zásobníků místo jediného, měly by být zapojeny vedle sebe (paralelně). Vhodným ovládáním ventilů na vstupu mohou být jednotlivé zásobníky nabíjeny i odděleně. Vzhledem k tomu, že jejich hydraulický odpor je u malých objemových průtoků velmi nízký, jsou u paralelního zapojení zásobníků bez regulace jen zřídka dosahovány uspokojivé provozních výsledky. Jak dokládají výsledky měření z příslušných soustav, je nabíjení a vybíjení více zásobníků ztěží zvládnutelné i při použití Tichelmannova zapojení rozvodného potrubí.

Vyhlídky a závěr

Chladicí agregáty s elektrickým pohonem mají velkou spotřebu proudu, vyskytující se převážně v době odběrových špiček a vyžadují vysoké přípojné výkony a značné provozní náklady. Absorpční a adsorpční chladicí agregáty poháněné tepelnou energií - pomineme-li stavební úpravy - nám dávají možnost snížit spotřebu elektřiny na chlazení. Ty, které jsou dnes na trhu dostupné, se již mnoho let osvědčují v technice chlazení a v klimatizaci, jsou dosud ale převážně poháněny teplem vznikajícím při spalování plynu nebo oleje, občas i teplem z dálkového rozvodu. Chladicí agregáty poháněné tepelnou energií představují v kombinaci s účinnou solární soustavou zajímavou alternativu pro klimatizaci budov. Využití solární energie jako zdroje pro pohon absorpčních a adsorpčních agregátů přináší úspory primární energie a snižuje provozní náklady. Při současném podílu elektřiny dochází také ke snížení emisí CO₂.

Na řešení solární klimatizační soustavy - s ohledem na speciální požadavky - dosud neexistují žádná normativní schémata. Na každou realizovanou soustavu je proto třeba stále pohlížet jako na individuální řešení. Poté, co bylo v Evropě vybudováno již více než 50 takových soustav, z nichž část je již po mnoho let v úspěšném provozu, lze říci, že solární klimatizace již svoji počáteční fázi překonala a je připravena pro spolehlivé použití v projektech technického zařízení budov.