Prvky solárních soustav (III)

ÚVOD

Rozvody potrubí solárních tepelných soustav spojují zdroj tepla (kolektor) s místem akumulace a spotřeby (zásobník). Základním požadavkem na potrubí a tepelné izolace je jejich životnost (odolnost vůči teplotám, degradaci, atmosférickým vlivům, atd.). Dimenzi potrubí a izolace je vhodné pro danou aplikaci optimalizovat s ohledem na spotřebu elektrické energie pro pohon soustavy (čerpací práce), tepelné ztráty (vliv na konečné zisky soustavy) a celkovou funkčnost soustavy.

ROZVODY POTRUBÍ

Návrh materiálu potrubí rozvodů solarních kapalinových soustav musí odpovídat typu a použití soustavy. Potrubí musí být odolné v prvé řadě teplonosné látce, zvláštní pozornost je nutné věnovat zejména v případě použití nestandardních kapalin a dále musí vyhovovat teplotním a tlakovým poměrům v solární soustavě.

Plastová potrubí je možné použít zejména u nízkoteplotních solárních soustav s nezasklenými kolektory pro sezónní (letní) ohřev bazénové vody, kde teploty stěží překročí 80 °C i v případě stagnace. Plastová potrubí používaná přímo v solárních kolektorech obsahují uhlíkové částice z důvodu ochrany proti UV záření a z důvodu dobré pohltivosti. Pro kolektory se nejčastěji používají materiály na bázi polypropylenu, EPDM nebo polyesteru. Pro potrubí pak běžný síťovaný polyetylen (obodobně jako vodovodní instalace), chráněný proti UV záření nebo obdobné materiály jako pro plastové kolektory.

U solárních soustav s pokročilými selektivními kolektory pro celoroční využití sluneční energie je nutné navrhovat potrubí kovové (měd, ocel), neboť potrubí primárního okruhu takových solárních soustav musí být odolné teplotám okolo 180 °C (ploché atmosférické kolektory se selektivní vrstvou), případně 250 °C (trubicové vakuové kolektory) a tlakům do 1 MPa. Pro takové podmínky je vyloučené použití plastových trubek z hlediska teplotního a mechanického namáhání. Použití ocelových trubek je principiálně možné, nicméně montáž je velmi pracná a zdlouhavá (svařování, ohýbání, řezání závitů). Ocelové trubky se používají především u velkých solárních soustav, kde měděné potrubí ve velkých světlostech je velmi drahé. Nevhodné jsou pozinkované ocelové trubky vzhledem ke korozivním reakcím zinku s nemrznoucí směsí na bázi glykolů. U jednoduchých solárních soustav jsou pro propojení kolektoru a zásobníku, např. u tzv. průmyslově vyráběných soustav (čerpadlová skupina integrovaná na zásobníku) k dispozici pružné nerezové vlnovcové trubky s převlečnými maticemi. Vzhledem k omezení montáže pájením nebo svařováním je takové řešení vhodné např. pro solární soustavy instalované ve dřevostavbách. Stranou od tradičních instalačních trubek jsou k dispozici systémy sdružující přívodní a zpětné potrubí (měď, nerez), tepelnou izolaci a elektrické vedení (kabel k teplotnímu čidlu) mezi regulátorem a čidlem teploty v kolektoru.

Pro spojování nejčastěji používaných měděných rozvodů s mosaznými a bronzovými fitinkami se v praxi velmi dobře osvědčuje rychlé a jednoduché měkké kapilární pájení (při 270 °C) pro ploché kolektory a tvrdé pájení (při 600 až 800 °C) se prosazuje pouze u vysokoteplotních trubicových kolektorů. Deklarovaná teplotní odolnost měkkého pájení (pájka L-SnCu₃) je pro trvalé teploty do 110 °C, u tvrdé pájky (L-Ag₂P) to jsou teploty vyšší (nad 110 °C). Další možností rychlého spojování jsou lisované nerozebiratelné spoje (lisovací měděné tvarovky s O-kroužky z EPDM), nebo použití rozebiratelných svěrných spojů (svěrný prstenec okolo trubky nebo vnější objímka se šrouby). Při provádění těchto mechanických spojů nejsou ostatní prvky soustavy během montáže tepelně namáhány a na stavbě nevzniká požární riziko. Svěrné spoje se také často používají místo pájení pro teplotně namáháné připojení kolektoru.

Při kladení rozvodů potrubí je nutné věnovat pozornost tepelné roztažnosti potrubí a zohlednit délkovou dilataci promyšleným vedením a správným umístěním pevných bodů, kluzných uložení a dilatačních prvků. Na každých 10-15 m vedení rozvodů by měl být umístěn dilatační prvek (smyčky, ohyby, kompenzátory), aby se zabránilo škodám a případným netěsnostem vzniklým vnitřním pnutím. U plastových potrubí je nutné zohlednit vyšší míru dilatací. Vratné (teplejší) potrubí od kolektorů je vhodné vést co nejkratší trasou, Tichelmannova smyčka pro rovnoměrné zatékání do více kolektorových polí se proto provádí zásadně na přívodním (chladnějším) potrubí do kolektorů. Délka potrubí vedeného venkovním prostředím by měla být minimalizována (drahá izolace odolná UV záření, tepelné ztráty). Potrubí ke kolektorům je možné vést stávajícími komíny, větracími šachtami nebo drážkami ve zdi (u novostaveb). Otevřené šachty je třeba vhodně utěsnit, aby nedocházelo k vyšším tepelným ztrátám konvekcí. Vedení potrubí by mělo zohledňovat řádně odvzdušnění a snadné vypouštění celé soustavy. Kovová potrubí by měla být připojena na uzemnění domu.

DIMENZOVÁNÍ POTRUBÍ

Dimenzování rozvodů solarních tepelných kapalinových soustav výrazně závisí na způsobu jejich provozu daným hodnotou měrného průtoku kolektorovým polem. V zásadě rozeznáváme soustavy s vysokým průtokem (high-flow, většinou maloplošné soustavy pro rodinné domy s běžnými zásobníky tepla) nebo s nízkým průtokem (low-flow, zpravidla větší soustavy, zásobník tepla se stratifikací). Nižší průtok samozřejmě vede k nižším světlostem potrubí a menším tloušťkám tepelných izolací.

Dalším významným parametrem, který může ovlivnit hydrauliku soustavy a tedy i dimenzování potrubí je typ teplonosné kapaliny [1], respektive její viskozita, na které závisí tlakové ztráty třením. Pro celoroční využití solární soustavy se ve většině případů používá nemrznoucí směs propylenglykolu a vody, případně etylenglykolu a vody (soustavy pro jiné použití než ohřev pitné vody). Viskozita propylenglykolu (s teplotou tuhnutí -30 °C) je zhruba o 1/3 vyšší než u etylenglykolu (s teplotou tuhnutí -30 °C) a cca 6krát vyšší než u vody při teplotě kapalin 20 °C. Viskozitu je možné snížit nižším podílem propylenglykolu ve směsi s vodou, např. ředěním na teplotu tuhnutí -20 °C.

Návrh světlosti potrubí solární soustavy může významně ovlivnit celkovou tlakovou ztrátu, především u menších solárních soustav s trubkovými výměníky, které nevnášejí do soustavy významný hydraulický odpor. Výpočtem tlakových ztrát třením a místními odpory v potrubních rozvodech s nemrznoucí směsí se v poslední době zabývalo několik článků [2, 3] a publikací [4]. Jakým způsobem může nevhodně dimenzované potrubí ovlivnit energetickou náročnost solárních soustav z hlediska potřeby čerpací práce bylo ukázáno v [5, 6].

TEPELNÁ IZOLACE

Zatímco potrubí nízkoteplotních sezónně provozovaných solárních soustav pro ohřev bazénové vody se zpravidla tepelně neizolují, v celoročně provozovaných solárních soustavách pro přípravu TUV a případně přitápění je nutné potrubí opatřit tepelnou izolací, aby tepelné ztráty z potrubí do okolí podstatně nesnižovaly celkovou účinnost solární soustavy. Důležité je izolovat celý potrubní rozvod včetně fitinek, ventilů, zásobníkových vstupů a výstupů. Uchycení potrubí do třmenů je vhodné umístit až na tepelnou izolaci potrubí, aby se nevytvářely tepelné mosty. Tepelná izolace by měla být odolná vůči teplotám do 180 °C, u venkovních rozvodů je navíc nutná ochrana proti UV záření a nenavlhavost. Nejčastěji se používají tepelné izolace na potrubí na bázi EPDM s uzavřenou strukturou (odolné vlhkosti), minerální vlna kašírovaná hliníkovou síťovou fólií, případně izolace opláštěné hliníkovým plechem kvůli ochraně před vlhkostí a poškozením způsobeným ptáky či hlodavci.

Tloušťka tepelné izolace se navrhuje podle stávající vyhlášky 151/2001 Sb. [7], která stanovuje kromě jiného tři kritéria pro určení požadované tloušťky tepelných izolací pro rozvody teplonosné látky ve vytápění a přípravě TUV. Prvním kritériem je mezní součinitel prostupu tepla z teplonosné látky izolací potrubí do okolí, jehož hodnota nesmí překročit hodnotu 0,35 W/m.K. Druhé kritérium je praktické, tloušťka izolace by měla být stejná jako světlost potrubí (tj. pro Cu 22x1 je vhodná tloušťka izolace 22 mm). Obdobně evropská norma pro průmyslově vyráběné solární soustavy [8] doporučuje navrhovat tloušťku izolace 20 mm pro potrubí do vnějšího průměru 22, tloušťku 30 mm pro potrubí s vnějším průměrem 28 až 42 mm, a pro větší dimenze potrubí dodržet tloušťku izolace stejnou jako vnitřní průměr potrubí, přičemž tepelná vodivost materiálu izolace je uvažována λ ≤ 0,04 W/m.K. Posledním kritériem je případný optimalizovaný výpočet hospodárné tloušťky izolace, což je v případě solárních soustav výpočet relativně obtížný a spojený především s určením ceny solárního tepla.

Jakým způsobem tepelné ztráty rozvodů ovlivňují zisky solární soustavy je možné ukázat na modelovém příkladě [6]. Provedeme celoroční analýzu tepelných ztrát potrubí primárního okruhu solární soustavy o parametrech: plocha solárních kolektorů 6 m², zásobník tepla 300 l (beze ztrát), světlost potrubí 22x1 mm. V prvním případě je uvažováno potrubí primárního okruhu o délce 30 m vedené zcela vnitřním prostředím o teplotě 18 °C, pouze připojení kolektorů (0,5 m přívod ke kolektoru a 0,5 m odvod z kolektoru je ve venkovním prostředí). V druhém případě je uvažováno potrubí o stejné délce, nicméně polovina je vedena vnitřním prostředím (7,5 m přívodní a 7,5 m zpětné) a polovina je vedena venkovním prostředím (7,5 m přívodní a 7,5 m zpětné). Součinitel tepelné vodivosti izolace λ je zvolen 0,04 W/m.K. Pro účely analýzy jsou porovnány dvě tloušťky tepelné izolace 9 mm (U = 0,32 W/m.K < 0,35 W/m.K, což odpovídá prvnímu kritériu) a 22 mm (rovno dimenzi potrubí, U = 0,21 W/m.K, což odpovídá i druhému kritériu). Výsledky jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1 - Porovnání vlivu tloušťky izolace na celoroční chování solární soustavy

V případě tepelné izolace 9 mm činí tepelné ztráty potrubí 15 % z celkového zisku, resp. 18 %, u tepelné izolace 22 mm je to 11-12 % v obou případech vedení primárního okruhu. Celoroční zisk ze solárních kolektorů je však v obou případech přibližně stejný (solární podíl se liší o cca 1 %) a na první pohled se zdá, že není nutné instalovat vyšší tloušťky izolace. Menší tloušťka má sice vyšší ztráty při teplotách teplonosné látky nad teplotou okolí, ale na druhé straně má po část slunečného dne tepelné zisky, protože nejnižší teplota ze zásobníku je 12 °C (menší než vnitřní teplota t_i = 18 °C, a menší než venkovní teplota t_e v letním období). Dalším důvodem je, že největší příjem slunečních zisků je v letním období v době nejmenších tepelných ztrát a největších přebytků tepla, ze kterých jsou hrazeny nadměrné tepelné ztráty potrubí nebo zásobníku při dosažení stejného solárního podílu (ukazuje na to zvýšená doba běhu čerpadla). Uvedené hodnoty jsou minimální, v případě použití neideálních prvků, které zvyšují teplotu v potrubí primárního okruhu (zásobník bez stratifikace, příp. předimenzovaný objem zásobníku vůči spotřebě, výměník o konečné ploše), budou podíly tepelných ztrát u menších tloušťek izolace vyšší.

ODKAZY

[1] Matuška, T.: Prvky solárních soustav (I) - Teplonosné látky pro kapalinové solární soustavy. Portál TZB-info. 2005.
[2] Matuška, T.: Oběhová čerpadla a hydraulika solárních soustav (I). Portál TZB-info. 2005.
[3] Hemzal, K., Lerl, Z.: Tlakové ztráty v okruzích s nemrznoucí směsí. Větrání, vytápění, instalace, roč. 15, č. 3. Společnost pro techniku prostředí Praha 2006.
[4] Kramoliš, P., Vrtek, M.: Tabulky pro stanovení hydraulické ztráty třením v kruhovém potrubí a hydraulické ztráty místními odpory při proudění teplonosné kapaliny SOLAREN. Technické vydavatelství Praha, 2004.
[5] Matuška, T.: Oběhová čerpadla a hydraulika solárních soustav (II). Portál TZB-info. 2005.
[6] Matuška, T., Šourek, B.: Energetické zisky a ztráty solárních soustav. Konference vytápění Třeboň 2005. Společnost pro techniku prostředí, Praha 2005.
[7] Vyhláška č. 151/2001 Sb.
[8] ČSN EN 12976-2: Tepelné solární soustavy a součásti - Soustavy průmyslově vyráběné - Část 2: Zkušební metody. ČNI 2006.