Prvky solárních soustav (II)

ÚVOD

Solární soustavy, podobně jako ostatní otopné soustavy, musí být vybaveny pojistnými a zabezpečovacími zařízeními. U uzavřených solárních soustav jde především o pojistný ventil a expanzní nádobu. Pro jejich návrh a instalaci v české normalizaci neexistují samostatné normy, je možné pouze analogicky přejímat metodiku návrhu podle topenářských norem s ohledem na provozní specifika solárních soustav.

TLAKOVÉ POMĚRY V SOLÁRNÍ SOUSTAVĚ

Solární soustava je provozována v rozmezí od plnicího tlaku p_o při stavu "za studena" při minimální provozní teplotě, zpravidla teplotě plnění t₀ = 10 až 20 °C do maximálního provozního tlaku p_e "za tepla" při maximální provozní teplotě soustavy t_max = 90 až 130 °C. Plnicí tlak (počáteční) je dán hydrostatickým tlakem sloupce teplonosné látky nad místem připojení expanzní nádoby a minimálním tlakem p_d požadovaným v nejvyšším místě soustavy (zpravidla kolektory)

kde h_s [m] je výška sloupce teplonosné látky nad místem připojení EN. Minimální tlak p_d [kPa] se zpravidla volí v rozsahu od 20 kPa (minimální hodnota) do 150 kPa podle druhu provozu soustavy. Pokud se jedná o soustavy, u kterých se předpokládá provoz při vysokých teplotách (bez varu teplonosné látky), musí být provozní tlak nastaven na odpovídající hodnoty. Například při předpokládáném provozu s propylenglykolem při 150 °C musí být tlak v kolektorech nad hodnotou 400 kPa (přetlak 300 kPa). Pokud solární soustava nebude provozována nad 90 °C, je možné volit minimální doporučenou hodnotu.

Maximální provozní tlak p_e [kPa] se odvozuje od maximálního dovoleného tlaku v soustavě (otevírací tlak pojistného ventilu). Maximální provozní provozní tlak se volí cca 50 kPa pod hodnotou otevíracího tlaku pojistného ventilu p_PV, případně jako

Velikost rozsahu provozních tlaků p_e - p_o ovlivňuje výrazně návrh expanzní nádoby, čím menší je provozní rozsah, tím větší nádoba musí být navržena pro udržení tlaků v daných mezích.

Hodnota provozního tlaku je také úzce svázána s druhem teplonosné látky v soustavě. Pokud bude v solární soustavě teplonosná látka, která vykazuje degradaci při vysokých teplotách např. nad 120 °C, je vhodné udržovat maximální provozní tlak pod hodnotou tlaku odpovídajícího teplotě bodu varu teplonosné látky 120 °C (viz obr. 1). V případě, že teplota v kolektorech přesáhne teplotu bodu varu látky, dojde k varu a teplota teplonosné látky v kolektorech se dále nezvyšuje. Navíc se odpaří pouze zlomek teplonosné látky a celý objem kolektorů je vytlačen do přívodního a zpětného potrubí. Tento předpoklad však závisí jednak na schopnosti expanzní nádoby pohltit vytlačený objem z kolektorů a jednak na vyprazdňovací schopnosti kolektorů a s ní spojeným stagnačním chováním soustavy [1]. V případě teplonosné látky odolné velmi vysokým teplotám je možné, s ohledem na tlakovou odolnost prvků v soustavě, volit vysoké provozní tlaky, např. eliminujicí na druhé straně změnu skupenství při stagnačních podmínkách a pronikání páry do rozvodů solární soustavy.

Pozn.: Pro přetlak ve shodě s normami používám termín tlak. Pokud je v textu míněn absolutní tlak (přetlak + atmosférický tlak) je to výslovně uvedeno.

POJISTNÝ VENTIL

Pojistný ventil je zařízení, které chrání primární okruh solární soustavy proti nedovolenému tlaku. Otevírací přetlak pojistného ventilu se nastavuje na 300 až 600 kPa, určuje maximální tlak v soustavě s ohledem na tlakovou odolnost nejslabšího prvku solární soustavy (zpravidla výměník nebo kolektor), určuje tlakový stupeň expanzní nádoby a nepřímo i její velikost.

Jelikož každý zdroj musí být vybaven neuzavíratelně připojeným pojistným zařízením [2], platí, že v potrubí mezi kolektory a pojistným ventilem nesmí být zařazeny žádné uzavírací prvky. Pokud se kolektorové pole skládá z více uzavíratelných či odpojitelných sekcí, musí být každá sekce vybavena samostatným pojistným ventilem [3]. Pojistný ventil by měl odolat extrémním teplotním podmínkám dosažitelným v soustavě, zvláště nejvyšší teplotě, která se může vyskytnout, tj. stagnační teplotě [1]. Pojistný ventil by měl být také odolný teplonosné látce (zpravidla propylenglykol). Zároveň s pojistným ventilem by měl být instalován i tlakoměr a teploměr.

Průřez pojistného ventilu musí být dimenzován tak, aby umožnil odvod největšího průtoku páry, který může nastat. Pojistný ventil se navrhuje tak, že celý tepelný výkon kolektorů (podobně jako u teplovodních kotlů) se přepočte na množství syté páry při požadovaném otevíracím tlaku pojistného ventilu a velikost pojistného ventilu se stanoví podle jeho charakteristik (průřez sedla, výtokový sloučinitel) na toto množství. Vychází se z klasické topenářské metodiky podle [2], stanovuje se průtočný průřez sedla ventilu [mm²]

kde pojistný výkon Q_p [kW] je výkon kolektorového pole (uvažováním maximálního výkonu kolektorového pole bude výpočet na straně bezpečnosti), α_v [-] je výtokový součinitel pojistného ventilu, a hodnota K [kW/mm²] se stanoví podle tabulky 1 (pozn. autora: hodnoty jsou pro sytou vodní páru, pro směs propylenglykolu nemám k dispozici). Z řady pojistných ventilů se podle jejich charakteristik vybere takový, který podmínku splňuje.

Tabulka 1

Průměr pojistného potrubí se stanoví ze vztahu

Pojistné potrubí by mělo být instalováno takovým způsobem, že v něm nedochází k akumulaci nečistot či k zarůstání vodním kamenem. Odvodní potrubí by mělo být uspořádáno tak, aby unikající teplonosná kapalina nebo pára nepředstavovala riziko pro uživatele (opaření), zařízení nebo materiály. Odtok pojistného ventilu by měl být zaústěn do uzavřené kovové nádoby dostatečného objemu, aby pojmula objem primárního okruhu. Zachycená teplonosná kapalina může tak být po odstranění příčiny otevření pojistného ventilu znovu použita v soustavě. Nedoporučuje se zaústit odtok pojistného ventilu do kanalizace s ohledem na možné ztráty teplonosné látky (propylenglykol, 70 Kč/l). Na pojistném potrubí nesmí být uzavírací armatura. Funkce pojistného ventilu musí být pravidelně revidována, a to neplatí pouze u solárních soustav.

Obr. 1 - Závislost teploty varu teplonosné kapaliny na absolutním tlaku v soustavě

EXPANZNÍ NÁDOBA

Solární soustava podobně jako každá otopná soustava musí být vybavena expanzním zařízením, které umožňuje změny objemu teplonosné kapaliny vlivem tepelné objemové roztažnosti bez nedovoleného zvýšení tlaku a zbytečných ztrát kapaliny způsobených otevřením pojistného ventilu a to ani v případě stagnace (maximální teploty, tvorba páry v kolektorech). V současné době je většina solárních soustav provozována jako uzavřené (omezení přístupu vzduchu do soustavy), velmi malá část jako otevřené typu drain-back (teplonosná látka je voda). Zatímco u uzavřených solárních soustav je nutné použití tlakových expanzních nádob s membránou, u otevřených soustav se roztažnost teplonosné látky projevuje zvýšením hladiny v otevřeném zásobníku, ze kterého je čerpána.

Tlaková expanzní nádoba je kovová nádoba, uprostřed rozdělená pružnou membránou, oddělující dvě látky: teplonosnou látku solárního okruhu a dusík (případně vzduch). Dusíková náplň je z výroby nastavena na počáteční přetlak. Oproti expanzním nádobám pro otopné soustavy je u solárních soustav důležitá odolnost membrány vůči působení glykolu, zpravidla se používá nitrilová membrána nebo membrána z EPDM. Expanzní nádoby určené pro solární soustavy se proto od běžných provedení liší barevně (často provedení v bílé barvě). Expanzní nádoby jsou k dispozici ve standardní řadě 10 l, 12 l, 18 l, 25 l, 35 l, 50 l, atd.

Teplonosná látka se zahříváním při provozu solární soustavy roztahuje a vyplňuje postupně objem expanzní nádoby. Expanzní nádoba v solární soustavě by měla pohltit objemové změny teplonosné kapaliny vlivem teplotní roztažnosti bez její zbytečné ztráty a udržet přetlak v solární soustavě v předepsaných mezích při všech provozních stavech. Při stavech bez odběru tepla v období se slunečním svitem může teplota v kolektoru a přilehlém potrubí dosáhnout 180 až 250 °C (tzv. stagnační teplota, liší se podle typu kolektoru a je udávána výrobci). Dochází k varu (bod varu je závislý na tlaku v soustavě) a k odpaření části teplonosné kapaliny a vytlačení zbylého objemu kapaliny v kolektorech. Při poklesu teploty v kolektorech pára teplonosné kapaliny kondenzuje a vytlačená teplonosná kapalina se vrací zpět do kolektorů. Expanzní nádoba solárních soustav musí být proto dimenzována na zajištění minimálního objemu teplonosné látky v nádobě ve studeném stavu V_s (1 až 2 % celkového objemu soustavy V, minimálně však 2 litry), na změnu objemu teplonosné látky v soustavě ze studeného stavu daného minimální teplotou (t₀ = 10 °C) do ohřátí na maximální provozní teplotu (podle druhu provozu t_max = 90 až 130 °C) a dále na vytlačení objemu teplonosné kapaliny z kolektorů při možném vývinu páry. Minimální objem expanzní nádoby se tedy stanoví jako

kde β [-] je součinitel objemové roztažnosti teplonosné látky určený pro daný provozní teplotní rozsah (např. Δt = 120 K odpovídá pro propylenglykol β = 0,1), V_k [l] je objem solárních kolektorů, v případě solárních kolektorů se špatným vyprazdňováním a výraznou produkcí páry (trubicové) je vhodné zahrnout do V_k i objem přívodního a zpětného potrubí. Skutečná velikost expanzní nádoby se získá podělením minimálního objemu tzv. stupněm využití expanzní nádoby

kde p_e [kPa] je maximální provozní tlak soustavy, p_o [kPa] je minimální provozní tlak soustavy (plnicí tlak) a p_b je atmosférický tlak (100 kPa), jmenovatel p_e + p_b je absolutní maximální provozní tlak soustavy. Objem expanzní nádoby potom bude

Zatímco hodnoty součinitele objemové roztažnosti jsou pro vodu standardně známy [2], pro nemrznoucí teplonosné kapaliny je často obtížné je od výrobců získat. Součinitel objemové roztažnosti je definován jako

Pro praktický výpočet lze při znalosti změny hustoty kapaliny s teplotou použít vztah

kde v(t) [m³/kg] je měrný objem teplonosné látky při teplotě t a ρ(t) [kg/m³] je hustota teplonosné kapaliny při teplotě t.

Na obr. 2 jsou zobrazeny závislosti součinitele objemové roztažnosti β na provozním rozdílu teplot Δt = t_max - t₀ pro různé typy teplonosných kapalin s vyznačením běžného návrhového bodu (Δt = 120 K).

Expanzní nádoba se připojuje do rozvodu primárního okruhu expanzním potrubím přes uzavírací armaturu (kulový kohout) nejlépe s ochranou proti uzavření a s vypouštěcím ventilkem, z důvodu možné revize (tlakové zařízení) a kontroly tlaku v nádobě. Průměr expanzního potrubí d_v [mm] se stanoví podle vztahu

Expanzní nádoba může být teoreticky umístěna kdekoliv v solární soustavě, s výhodou se umísťuje na studené straně primáního okruhu kvůli nižšímu tepelnému namáhání, z hlediska tlakových poměrů na sání oběhového čerpadla (soustava vždy v přetlaku). Umístění zpětné klapky vůči expanzní nádobě by mělo respektovat řádné vyprazdňování kolektorů v případě stagnačních podmínek [1]. Expanzní nádoba musí být odborně nainstalována včetně seřízení hodnoty předtlaku dusíku (vzduchu) v plynové části nádoby, který je přednastaven z výroby. Předtlak plynu v expanzní nádobě se stanoví z plnicího tlaku podle vztahu

Nastavení předtlaku p_v se provádí plynovým ventilkem (upouštění, tlakování hustilkou). Nejméně jednou za rok by měla být provedena vnější kontrola spojená s kontrolou plnicího tlaku.

Obr. 2 - Závislost poměrného zvětšení objemu teplonosných kapalin na teplotním rozdílu

U velkoplošných soustav a soustav, u nichž lze předpokládat zvýšené doby stagnace (např. při vysokých hodnotách solárního krytí nebo podpory vytápění), je třeba zapojit expanzní nádobu přes předřazenou nádobu k ochraně před příliš vysokými teplotami a před pronikáním páry potrubím k ostatním prvkům do strojovny. Objem předřazené nádoby se dimenzuje na poloviční objem pole kolektorů V_k.

ODKAZY

[1] Matuška, T.: Problematika stagnace u solárních tepelných soustav (I), Portál TZB-info
[2] ČSN 06 0830 - Zabezpečovací zařízení pro ústřední vytápění a ohřívání užitkové vody
[3] ČSN EN 12976-1: Tepelné solární soustavy a součásti - Průmyslové vyráběné soustavy. ČNI 2006.