1

SOLARNO OGREVANJE PROSTOROVSmernice za načrtovanje solarnih kombiniranih sistemov ogrevanja

Ljubljana, 2007

1. UvodSonce je vir energije, ki bi lahko brez težav pokrival vse potrebe svetovnega prebivalstva po energiji. Ocene izhajajo iz tega, da sonce samo v eni uri odda na Zemljo toliko energije, kot je celotno svetovno prebivalstvo potrebuje v vsem letu. Celotni potencial sončnega sevanja za Slovenijo znaša približno 23 000 TWh, kar je nad 300-krat več kot znaša raba primarne energije.

Tako je v naših zemljepisnih širinah mogoče z izkoriščanjem sonca pridobiti znatne količine toplotne energije. V naših krajih sonce v povprečju pet mesecev na leto oddaja malo toplote, približno tri mesece jo je ravno dovolj, štiri mesece pa jo je na pretek. Podatki o letnem številu ur sončnega sevanja za različne kraje kažejo, da z izjemo Primorske bistvenih razlik v tra-janju osončenosti ni. V grobem lahko te podatke , pri katerih je že upoštevana oblačnosti in motnost ozračja, upoštevamo za večji del slovenskega ozemlja. V vsem letu prejme kvadratni meter vodoravne sprejemne ploskve približno 1100 kWh sončne energije, od tega spomladi približno 320, poleti 480, jeseni 190 in pozimi 110 kWh.Čeprav ponudba sončeve energije tekom leta ali dneva in noči niha, je s primerno dimenzioniranim in postavljenim solarnim sistemom praktično v vsakem domu mogoče privarčevati do sedemdeset odstotk-ov stroškov namenjenih porabi letne energije za ogrevanje vode. Ob upoštevanju toplotnih značilnosti doma in kurilnih navad članov gospodinjstva je možno v povprečnih stavbah privarčevati tudi od pet do trideset odstotkov energije za ogrevanje doma. V družinskem proračunu lahko tako veliko prihranimo.

Olje, plin in premog bodo v nekaj desetletjih porabljeni, zato se moramo

preusmeriti na alternativne vire. Prihodnost pripada soncu. Sonce

ponuja električno energijo in toploto, predvsem pa ohranja našo klimo

oziroma podnebje. Prehod na sončno energijo se splača – tudi finančno.

SKUPNA KAPACITETA TERMALNIH SOLARNIH KOLEKTORJEV INŠTALIRANIH V EVROPSKI UNIJI V LETIH 2004 IN 2005 (V m2 in v MWth)

Država Tabela 1: Pogoji za razvoj so-larnih toplotnih sistemov se v sedanjem času hitro sprem-injajo. Stalno večanje cen en-ergije skupaj z državno pod-poro omogoča konstatno rast solarnega termalnega trga. Okoli 2 milijona m2 solarnih kolektorjev - ekvivalent moči 1.450 MWth je bilo instalirano v EU v letu 2005. Ploščati za-stekljeni kolektorji predstavljajo večinski del termalnega trga (z 89.4% deležem trga), sledijo pa vakuumski kolektorji (s 6.4% deležem trga).

1

2. Ogrevanje s soncem

Da sončna energija lahko prevzame pomembnejšo vlogo v preskrbi z energijo, je neobhodno potrebno to obliko energije uporabiti tudi za ogrevanje zgradb. Pri ogrevanju prostorov sedaj preveliko težo prevzemajo fosilna goriva (kurilno olje, plin, premog). Možnost, da v tem segmentu nadomestimo fosilna goriva, nam ponujajo solarni sistemi za ogrevanje sanitarne vode in dopolnilno ogrevanje prostorov ( kombinirani solarni sistemi). Od leta 1998 do lani je Avstrija vsako leto povečala površino solarnih kolektorjev za 50%, kar jo uvršča med vodilne države na področju uvajanja kombiniranih siste-mov ogrevanja. Kombinirani sistemi ciljajo v glavnem na učinkovito uporabo sončnega sevanja v prehodnem času (spomladi in jeseni). Pri tem je pomembna odlična toplotna izolacija zgradbe, ki ima po možnosti vgrajeno nizko tem-peraturno ogrevanje prostorov in izkorišča pasivno solarno ogrevanje. Ko so te predpostavke izpolnjene, lahko pri 15- 40m2

Pomembne koristne predpostavke za kombiniran sistem ogrevanja so:- dobra stopnja izolacije zgradbe- nizkotemperaturni sistem ogrevanja- ugodna usmerjenost kolektorjev proti soncu- razpoložljiv prostor za hranilnik tople vode- izkoriščanje pasivnega solarnega ogrevanja

Slika 3: Potek potreb po toploti (topla voda in ogrevanje prostorov) in energijski doprinos solarnega dela za enodružinsko hišo s 130 m2 bivalne površine (moč ogrevanja 6kW) in štirimi osebami. Temelječ na kolektor-jih površine 25m2 in hranilniku energije z velikostjo 1800 litrov lahko dosežemo skoraj 40% solarno pokritje energetskih potreb.

2

Slika 1: Običajna površina kolektorjev za solarne kombinirane sisteme se giblje med 15 in 40m2.

POTREBA PO TOPLOTI(kWh / mesec )

Slika 2: Prikaz potreb po ogrevanju in po hlajenju ter razpoložljivost solarne energije

površine sončnih kolektorjev in volumnu hranilnika tople vode med 0,8 - 4m3, na površini enodružinskega stanovan-ja pokrijemo med 15 in 50% vseh potreb po topli sanitarni vodi in ogrevanju prostorov. Prav tako pa je možno uresničiti demonstracijski projekt s 100% pokritostjo teh potreb.

Toplota iz solarnega sistema Potreba po sanitarni vodi

Potreba po ogravanju prostorov Potreba po hlajenju prostorov

Potreba po ogrevanju prostorovPotreba po ogrevanju san. vodeDoprinos solarnega sistema

ogrevanje prostorov 57%

kuhanje 7%razsvetljava in el.naprave 11%

ogrevanje vode 25%

Slika 4: Poraba energije v stanovanjskih ob-jektih v EU, 1998 (Vir: European Commis-sion, 2000)

3. Tipična hidravlična zasnova kombiniranega solarnega sistema ogrevanja

Glede na to, da za razliko od klasičnega solarnega ogrevanja tople vode, sedaj izvajamo še dopolnilno ogrevan-je prostorov, je hidravlični sistem bistveno večji, bolj kompleksen in raznolik. Potrebna je vestna montaža in posamično projektiranje sistema, tako da serijske rešitve in tovarniško prednastavljeni sistemi navadno ne pridejo v poštev. Bistveno je prilagoditi celoten sistem tako, da posvečamo glavno pozornost nadomeščanju konvencionalnih energijskih virov in povečanju udobja ogrevanja.

Slika 5: Enodružinski hiši s solarnim sistemom za ogrevanje sanitarne vode in dopolnilnim ogrevanjem prostorov

Načelno naj bi natančno upoštevali sledeče parametre pri pripravi hidravličnega koncepta kombiniranih solarnih naprav za ogrevanje sanitarne vode in za dopolnilno ogrevanje prostorov: - sistem naj bo kolikor je mogoče enostaven in brez kakšnih kompliciranih komponent, ki so podvržene motnjam ( kot so komplicirane črpalke in večstopenjski ventili) - kolikšen izkoristek in učinek lahko pričakujemo od kolektorjev (površina in tip kolektorjev)? - način delovanja solarne naprave (High Flow, Low Flow, Matched Flow)? - kolikšen prostor in/ali višino imamo na razpolago za vgradnjo hranilnika tople vode? - kakšen bojler imamo na razpolago (z regulacijo učinka ali brez)? - kakšen je način priprave tople vode? - način ogrevanja (visoko in/ali nizko temperaturno, velika ali majhna masa hranilnika toplote)? - vrsta regulacije ogravalnega sistema?

Ker so na tržišču na razpolago tehnično zelo različni produkti, bomo poskušali narediti povzetek bistvenih konceptov sistemov. Temeljni faktor pri tem bo število instaliranih hranilnikov tople vode. V osnovi poznamo sisteme z enim ali dvema hranilnikoma in/ali ogrevanjem plavalnega bazena.

3.1 Sistemi z enim hranilnikom

Hramba energije poteka v centralnem hranilniku, na katerega so vezani proizvajalci toplote (solarni sistem, konvencionalni toplotni viri) in potrošniki (sanitarna voda, ogrevanje prostorov). Hranilnik hkrati tvori tudi hidravlično kretnico v sistemu. Lahko ločimo tri naraščajoče temperaturne nivoje (ogrevanje prostorov, sani-tarna voda, in voda za ogrevanje sanitarne vode), ki naj bi bili v hranilniku toplote kolikor je le mogoče ločeni med seboj. Ogrevanje sanitarne vode zahteva najvišji temperaturni nivo v nizkotemperaturnih ogrevalnih sistemih.

3

4

Iztok za vročo sanitarno vodo - preko toplotnega izmenjevalca ali neposredno iz hranilnika tople vode - mora biti vedno na vrhu, da je zagotovljena vroča voda. Dovod hladne vode pa je vedno v najnižji točki hranilnika, kjer se nahaja najbolj hladna voda.Med tema dvema točkama leži temperaturni razpon vode za različne namene ogrevanja. Priključitev konvencionalnega ko-tla mora biti izvedena na takšen način, da je vtok vroče vode v območju priprave sanitarne vode in je ogrevanje sanitarne vode prednostna naloga. Vtoki ostalih toplotnih porabnikov morajo biti tako izvedeni, da ni nevarnosti za shladitev vročega pasu za oskrbo s sanitarno vodo v zalogovniku.

Prav tako mora biti iztok ogrevalnega kotla vedno nad temper-aturnim pasom mrzle vode. Ta pas je namenjen samo solarnim kolektorjem in omogoča, da dovedemo v kolektorje čim bolj hladno vodo, saj s tem dosežemo večji izkoristek sončne energ-ije.

Priključitev različnih kotlov na konvencionalne energetske vire ne zahteva večje spremembe na hranilniku energije. Ker so vsi kotli vezani preko hranilnika toplote, moramo prilagoditi samo položaj tipala za zaht-evo in geometrično višino iztoka v odvisnosti od vreste kotla in kuriva. Bistveno je, da ne dajemo prednosti posameznim sklopom sistema, ampak da se vedno osredotočimo na učinkovitost celotnega sitema (najmanjša možna poraba ogrevalne energije). Slika 7 nam kaže shematski prikaz priključkov kotla, v odvisnosti od vrste vira energije .

Slika 6: Hranilnik toplote z zunanjim modulom za plastno polnjenje hranilnika (levo zgoraj) in modulom za pretočni način priprave tople san-itarne vode (desno spodaj)Vir fotografij: Son-nenkraft Vertriebs GmbH)

Slika 7: Če je na hranilnik priključen kotel, je glede na vrsto kotla določena različna višina povratka in temperaturnih tipal

Hra

niln

ik to

plot

e

solarni dotok

solarni iztok

dotok - kotel

iztok - kotel

(avtom. kotel na biomaso, kur. olje, plin)

iztok - kotel

Kotel na polena, daljinsko ogrevanje

Zunanji konvencionalni bojlerji, ki na splošno potrebu-jejo višjo temperaturo povratka oz. dvig povratne tem-perature (avtomatično ogrevanje na biomaso, bojlerji na kurilno olje in plin) nimajo znatnega vpliva na učinkovitost sistema, ker imajo vtok in iztok na zgorn-jem delu oziroma zgornji tretjini hranilnika. Položaj tipala in povratka vode sta v takšni višini, da ni možno ogrevanje nižjih hladnih plasti v hranilniku toplote. Pri kotlih, ki potrebujejo čim nižjo temperaturo povratka ali pri daljinskem ogrevanju, je tipalo lahko v isti višini, kot pri zgoraj navedenem primeru, položaj povratnega toka pa moramo prestaviti v spodnjo tretjino hranilnika. Tako je zagotovljen optimalni izkoristek kalorične vrednosti pri kotlih na plin, pri priključku daljinskega ogrevanja, pa so neto izgube zmanjšane na minimum.

Pri uporabi kotla na lesna polena, je z vidika tehničnega postopka gorenja in z vidika udobja priporočljivo, da zagotovimo zadosten volumen v zalogovniku energije za shrambo toplote, ki nastane pri enkratnem polnjenju kotla na polena.

Na sliki 9 je predstavljena integracija solarnega sistema preko dveh toplotnih izmenjevalcev v notranjosti hranilnika energije. Velikost sistema je tu omejena z razpoložljivostjo in učinkovitostjo toplotnih izmen-jevalcev znotraj hranilnika (običajno za površine kolektorjev do 20 m2). V odvisnosti od trenutnega učinka sončnih kolektorjev in tudi od temperaturnega nivoja v hranilniku energije lahko preko preklopnega ventila uravnavamo pretok skozi enega ali oba toplotna izmenjevalca, ki sta medsebojno v zaporedni vezavi. Z za-porednim pretokom skozi oba izmenjevalca lahko hitro dosežemo visoko temperaturo vode v zgornjem nivoju hranilnika, ki je razpoložljiva za potrebe sanitarne vode. Ko je to doseženo, preklopni ventil usmeri tok samo na spodnji izmenjevalec, s čimer ogrejemo še spodnji del hranilnika.

5

Slika 8: Solarna arhitektura moderne hiše v kombinaciji s solarno termalno napravo za ogrevanje tople vode in podporo pri ogrevanju prostorov (Vir: AEEINTEC)

Slika 9: Primer sistema s solarnim polnjenjem enega hranilnika preko dveh notranjih toplotnih izmenjeval-cev, ki se nahajata v različni višini. Sistem je ob primerni nastavitvi primeren tako za “High flow” in “Low flow” delovanje solarne naprave. Ogrevanje sanitarne vode je izvedeno s pretočnim principom preko in-tegrirane spiralne cevi, ki poteka od dna do vrha celotnega hranilnika energije.

Hranilnik toplote

vroča sanitarna voda

hladna voda

ogrevanje prostorov

ogrevalni kotel

solar

ni ko

lektor

ji

topla voda

6

Slika 10 in 11 nam prikazujeta dva primera hranilnikov na tržišču, kjer v ospredju vidimo integrirane baterije cevi za ogrevanje sanitarne vode.

Nadalje pogosto najdemo v uporabi tudi tako imenovan koncept “tank in tank” (slika 12). Integracija so-larnega sistema je v tem primeru izvedena preko zunanjega toplotnega izmenjevalca (navadno ploščatega tipa) in preko dveh dotokov (v različnih višinah) do hranilnika energije. Primeren nivo je določen na podlagi temperature hranilnilnika in temperature kolektorjev (regulacija 3 polnega ventila). Zunanji to-plotni izmenjevalci imajo sicer velik izkoristek, potrebujejo pa dodatno regulirano črpalko v sekundarnem tokokrogu, zato jih uporabljamo navadno pri večjih površinah sončnih kolektorjev (> 20m2).

Slika 10: Integrirana cev iz legiranega jekla, ki poteka skozi celotno višino hranilnika. (Vir: Teufel & Schwarz mbH, Going)

Slika 11: Ob ploskem cevnem izmenjevalcu v notranjosti hranilnika vidimo tudi cev iz legiranega jekla za ogrevanje tople vode.

Slika 12: Primer sistema s hranilnikom energije (“tank in tank” koncept) s solarnim polnenjem preko zunanjega toplotnega izmenjevalca v dveh višinah hranilnika. Sistem je primeren za za oba - “High flow” in “Low flow” solarne sisteme. Ogrevanje sanitarne vode poteka preko stene notranjega rezervoarja, ki se nahaja v hranilniku.

vroča sanitarna voda

Hranilnik toplote

ogrevanje prostorov

ogrevalni kotel

topla vodahladna voda

solar

ni ko

lektor

ji

7

“Tank in tank koncept” pomeni, da je v hranilniku in-tegriran rezervoar za sanitarno vodo (narejen iz legi-ranega jekla ali z emajlirano poršino). Zadostno oskrbo s toplo vodo zagotovimo s kombinacijo količine vode in površine rezervoarja. V vsakem primeru je seveda treba zagotoviti zadostno temperaturo vode v zgornjem sloju hranilnika. Pomembno je, da takšni rezervoarji segajo do spod-njega sloja hranilnika, kjer je izveden priključek za dotok hladne vode. Če je bojler za sanitarno vodo nameščen samo v zgornji tretjini hranilnika, potem pri vsaki uporabi sanitarne vode pride do močnega mešanja slojev vode v samem hranilniku. Zaradi tega nastopi tudi manjši izkoristek sončnih kolektorjev, ker v njih doteka manj hladna voda iz hranilnika. Na sliki 13 sta predstavljena dva primera hranilnikov na tržišču, ki delujeta po sistemu “tank in tank”. V praksi so zelo prisotni kombinirani sistemi s hraniln-ikom, ki vsebuje različne temperaturne sloje vode in ima vse toplotne priključke izvedene v skladu z različnimi temperaturnimi zahtevami toplotnih naprav.

Slika 13:“Tank in tank” hranilnik s cilindričnim notranjim bojlerjem in cevnim izmenjevalcem toplote za priključitev solarnega sistema (Vir: Sonnenkraft Vertriebs GmbH in Austria email AG).

Slika 15: Optimalno razslojevanje z vgrajenim cevnim razslojevalcem. Pri različnih temperaturah vode iz solarnih kolektorjev, se le ti nalagajo v točno določeni višini hranilnika toplote in ne prihaja do mešanja slojev. Vir: SOLVIS

Temperatura

Gostota vode (kg/m3)

Slika 14: Sprememba gostote vode v odvisnosti od temperature. Voda je najbolj gosta pri 4

stopinjah C.

8

Če se sanitarna voda pripravlja preko zunanjega toplotnega izmenjevalca, moramo paziti, da logaritmična tem-peraturna razlika ni večja od 5 K. Ker je količina in temperatura potrebne sanitarne vode različna od primera do primera in ker tudi temperatura vode v hranilniku nekoliko niha, je potrebna variabilen pretok na strani hranilnika. Z namenom, da najhitreje dosežemo konstantno ciljno temper-aturo, lahko z regulacijo vrtljajev črpalke ali z mehaničnim proporcion-alnim regulatorjem nastavimo pre-tok v odvisnosti od dejanske porabe sanitarne vode. Pomembno je, da se priključek povratnega toka nahaja kolikor se le da nizko na hranilniku, ne sme pa se mešati s hladno vodo v spodnji plasti hranilnika.

Različni temperaturni sloji so zelo pomembni posebej v sistemih z “Low-Flow-Principom” ali “Matched-Flow-Principom”. Slika 16 nam kaže koncept hranilnika s samodejnim slojevitim temperaturnim polnjenjem. Takšno polnjenje deluje na principu razlik v gostoti med hladno in toplo vodo (slika 14). Hladna voda je težja od tople in se zato raje zadržuje v nižjem sloju hranilnika. Topla voda je lažja od hladne in se dviga , dokler ne doseže istega temperaturnega nivoja, kjer se ustavi. Hranilniki s samodejnim slojevitim temperaturnim polnjenjem imajo prednost, da so zelo preprosti in nizko dojemljivi za napake, prav tako pa ne potrebujejo za delovanje nobenega zunanjega vira energije.

Slika 17: Prikaz različnih primerov hranilnikov z razslojevanjem vode, glede na temperaturo.(Vir: Solarfocus, St. Ulrich, Teufel & Schwarz GmbH,

Going, Pink Behältertechnik GmbH, Langenwang)

solar

ni ko

lektor

ji

hladna voda

topla voda

ogrevanje prostorov

ogrevalni kotel

Hra

niln

ik to

plot

evroča sanitarna voda

Slika 16: Primer hranilnika s solarnim polnjenjem preko zunanjega toplotnega izmenjevalca in sistema za avtomat-sko razslojevanje v hranilniku. Ta sistem zahteva “low flow” solarni sistem. Ogrevanje sanitarne vode je izvedeno s pretočnim sistemom preko zunanjega toplotnega izmenjevalca.

Na sliki 19 je predstavljena priključitvena shema za sistem “vse v enem”. Poleg maksimalne stopnje pred izdelave hidravličnega dela, ima ta kompakten sistem za kompletno pokritje toplotnih potreb enodružinske hiše, predizdelano tudi celotno električno instalacijo, ki jo le priključimo na el. napetost. Tako je postavitev celotnega ogrevalnega sistema znatno poenostavljena.

Iz ekološkega stališča, je še posebno zanimiv razvoj kompaktnih sistemov, ki 100% uporabljajo obnovljive vire energije (sonce in biomaso). Leta 2003 je Avstrijska firma predstavila “vse v enem” sistem, ki kombinira

Še v devetdesetih letih 20. stoletja so inštalaterji morali sestavljati zunanje toplotne izmenjevalce iz posameznih komponent, sedaj pa so na tržišču številne sestavljene in preizkušene enote, ki jih preprosto pritrdimo na steno. Na sliki 18 je pri-mer takšne enote izdelane v Avstriji.

Vse večja ponudba vnaprej izdelanih sistemov in komponent na področju kombiniranih solarnih sis-temov ogrevanja, pomeni na eni strani zmanjšanje cene sistemov, na drugi strani pa zmanjšanje možnosti pojave napak. Takšni sistemi imajo poleg hidravličnih komponent, nameščene tudi električne komponente - tipala in regulacijske module. Zaznamo lahko splošen trend naraščanja ponudbe vnaprej izdelanih sistemov, posebno še na področju kombiniranih solarnih sistemov.

Slika 18: (levo) Zunanja toplotna postaja za pripravo sanitarne vode (brez ohišja), pripravljena za vgradnjo, ki

deluje po pretočnem principu in z regulacijo pretoka vode z mehaničnim proporcionalnim regulatorjem. (desno) Izgled toplotne postaje z izolacijskim ohišjem.(Vir: Sonnenkraft

Vertriebs GmbH, Gerichshain)

Slika 19: Prerez skozi kompaktni centralni ogrevalni sistem in shematični prikaz poteka toplotnih instalacij do porab-nikov ter solarnih kolektorjev (levo) in zunanji izgleda ogrevalnega sistema (desno). (Vir: Solvis GmbH & CO GK,

Braunschweig)

1 Solarni kolektorji

2 Izolacija

3 Solarno polnjnje

4 Solarni povratni tok

5 Povezava za dimne pline

6 Komora za plinski/oljni gorilec

7 Plinski/oljni gorilec

8 Izmenjevalec za dimne pline

9 Kontrola sistema

10 Solarna ekspanzijska posoda

11 Postaja za vročo vodo

12 Solarna črpalka

13 Polnilec za polnjenje po slojih

14 Solarni toplotni izmenjevalec

15 Vod ogrevanja prostorov

16 Povratni vod ogrevanja prostorov

17 Pipa za polnjenje in praznjenje

18 Hladna voda

19 Vroča voda

20 Radiator

21 Vroča voda v kopalnici

9

Ogrevalni sistemi z enim hranilnikom imajo naslednje prednosti in slabosti:Prednosti: - toplotne izgube lahko zmanjšamo, ker je izpuščen bojler za toplo vodo - znatno je izboljšana kompaktnost in preprostost celotnega sistema - sistem zahteva manj prostora za namestitev - pretočno ogrevanje sanitarne vode je higijenično in zdravstveno popolnoma neoporečno (brez legionele,...) - ker ni dodatnega hranilnika ali bojlerja dosegamo finančni prihranek, hkrati pa so manjši stroški za inštalacijo toplotnih cevovodov.

Slabosti: - priprava sanitarne vode poteka preko dveh toplotnih izmenjevalcev (solarnega na strani kolektorjev in s strani sanitarne vode), kar pomeni višjo temperaturo povratne vode (manjši izkoristek kolektor jev). Ta vpliv je manjši pri integriranih bojlerjih sanitarne vode. - v najvišjem sloju hranilnika moramo ohranjati konstantno visoko temperaturo za potrebe sanitarne vode

3.2 Sistemi z dvema hranilnikoma toplote

Glavna bistvena razlika od sistemov z enim hranilnikom je, da tu za ogrevanje sanitarne vode uporabimo ločen hranilnik. Hranilnik sanitarne vode lahko v odvisnosti od velikosti sistema polnimo neposredno

lesne pelete in sonce. Sončni kolektorji segrevajo hranilnik toplote, kjer je integriran gorilec na pelete. Na sliki 20 je prerez takšnega kompaktnega sistema in izgled že inštaliranega sistema.

Slika 20: Prerez intergriranega centralnega ogrevalnega sistema na sončne kolektorje in pelete(levo) in zunanji izgled inštaliranega sistema (desno) (Vir: Solarfocus, St. Ulrich)

Slika 21: Primer sistema z dve-ma hranilnikoma in oba se so-larno polnita preko notranjega toplotnega izmenjevalca. Sis-tem zahteva “High flow” sistem solarnih kolektorjev.

10

vroča sanitarna voda

Hranilnik toplote

ogrevanje prostorov

mrzla voda

vroča voda

ogrevalni kotel

solar

ni ko

lektor

ji

Hra

niln

ik z

a sa

nita

rno

vodo

iz solarnih kolektorjev ali iz centralnega hranilnika toplote. Prvi takšni hidravlični koncepti so se pojavili že konec 80-tih let, in zaradi tega predstavljajo klasično vezavo solarnih kombiniranih sistemov. Čeprav ti sistemi nimajo prednosti niti v energetskem pogledu (izgube so večje zaradi večjih površin) niti v finančnem pogledu (večja cena komponent) v primerjavi s sistemi z enim hranilnikom, pa se danes še vedno na široko uporabljajo. V bistvu lahko sisteme z dvema hranilnikoma skrčimo na dva koncepta (slika 21 in slika 23).Na sliki 21 je prikazan sistem z dvema hranilnikoma, ki se izmenično polnita preko notranjih toplotnih izmen-jevalcev. Solarni kolektorji, ki delujejo na “High flow” principu, imajo v vsakem primeru večji izkoristek, če sta zalogovnika napolnjena z vodo, ki ima nižjo temperaturo.

Proizvajalci ponujajo preprosto regulacijo s funkcijami: prednosten/podrejen/enakovreden. Željen temperaturni nivo za sanitarno vodo se nahaja znatno višje od potrebnega nivoja za nizko temperaturno ogrvanje prostorov. Da bi obdržali čim nižjo povratno temperaturo tekočine skozi solarne kolektorje, se med ogrevalno sezono priporoča enakovreden pretok skozi oba hranilnika. S to funkcijo lahko dobimo optimalen izkoristek toplote iz sončnih kolektorjev, čeprav bo končna temperatura vode nižja, kot če bi s kolektorji ogrevali samo en hranilnik.

Na sliki 23 je hranilnik sanitarne vode ogrevan iz glavnega hranilnika toplote. V ogrevanja prostem času je hranilnik sanitarne vode prioritetno segret na delovno temperaturo. To je praktično, zaradi omejene učinkovitosti toplotnih izmenjeval-cev znotraj hranilnikov, predvsem pri manjših površinah solarnih kolektorjev (<20 m2). Če imamo večjo površino solarnih kolektorjev, je priporočena vgrad-nja zunanjega toplotnega izmenjevalca med solarnimi kolektorji in hranilnikom toplote. Kot vidimo na sliki 23, se hranilnik tople vode segreva samo iz glavnega hranilnika tople vode. Priključek za solarno polnjenje hranilnika je lahko v fiksni višini (high flow) ali z izvedbo za razslojevanje vode (low flow).

Slika 22: Sistemi z dvema ali več hranilniki imajo glede na volumen večjo površino, kar nam daje večje toplotne izgube sistema.(Vir: AEEINTEC)

Slika 23: Zgleden primer sistema z dvema hranilnikoma in direktnim solarnim polnjenjem preko zunanjega izmen-jevalca. Ob pravem načrtovanju, lahko solarni kolektorji delujejo na “High flow” in “Low flow” način.

11

Hranilnik toplote

ogrevalni kotel

solar

ni ko

lektor

ji

ogrevanje prostorov

vroča voda

mrzla voda

Hra

niln

ik z

a sa

nita

rno

vodo

vroča sanitarna voda

Ta zasnova nam v prehodnem obdobju ogrevanja (spomladi, jeseni) lahko zmanjša udobje, ker voda v hranilniku zaradi nezadostne dimenzije kolektorjev ne doseže zadostne temperature za učinkovito ogrevanje sanitarne vode. V tem primeru je treba dodatno ogrevati z zunanjim gorilnikom, ki je vključen v sistem. V ogrevalni sezoni to ne predstavlja problema, ker je tako treba za ogrevanje prostorov dodatno ogrevati sis-tem preko gorilnika. Hranilnik za sanitarno vodo je lahko manjšega volumna (dnevni), saj s tem zmanjšamo stroške sistema in toplotne izgube.

12

Ogrevalni sistemi z dvema hranilnikoma imajo naslednje prednosti in slabosti:

Prednosti: - Priprava sanitarne vode in dopolnilno ogrevanje preko gorilnika sta hidravlično popolnoma ločena, kar prispeva k zmanjšanju turbolence v hranilniku zaradi konstantnega toka ogravanja sanitarne vode. - priprava sanitarne vode poteka posredno preko hranilnika in toplotnega izmenjevalca, kar nam daje nižjo povratno temperaturo vode v solarnih kolektorjih. - če se hranilnik sanitarne vode polni samo preko hranilnika toplote, potem lahko volumen prilagodi-mo samo dnevnim potrebam po sanitarni vodi.

Slabosti: - večje sevalne izgube zaradi drugega hranilnika - potreba po večjem prostoru - večja finančna investicija zaradi dodatnega hranilnika

4. Kombinirani sistemi za ogrevanje bazena

Solarni kombinirani sistemi so bolj prilagojeni za prehodno obdobje, zato se poleti pojavlja višek toplote, ker je priprava sanitarne vode edini porabnik toplote. Skupni izkoristek sistema lahko zato znatno povečamo z dodatnim ogrevanjem vode za plavalni bazen, četudi se lahko pojavi dodaten padec temperature v hraniln-iku. Velikokrat se tudi privatni bazeni segrevajo s klasičnimi bojlerji, da se lahko podaljša plavalna sezona.V teh primerih lahko tudi v poletnem času dodatno zmanjšamo porabo fosilnih goriv. Če plavalnega bazena ne ogrevamo, lahko uporabniku bazena znatno povečamo udobje.

Dimenzioniranje sistema

Ker pod kombiniranimi sistemi navadno razumemo ogrevanje sanitarne vode in prostorov, se pojavi poleti izven ogrevalne sezone višek toplote, ki je na razpolago za ogrevanje bazena. Tako sistema ni treba posebej dimenzionirati. Če pa se odločimo, da je prioriteta ogrevanje bazena, moramo upoštevati posebne pogoje in zahteve za udobno počutje uporabnikov bazena. Natančen izračun solarnega sistema za ogrevanje bazena lahko dobimo naprimer s programom TSOL (TSOL, 2003). Za grobi izračun pa lahko uporabimo sledeče napotke. Pomemben podatek je vodna površina bazena, ker se tam izgublja bistven del toplote. Pomembno je tudi ali je bazen ponoči in ob hladnejših poletnih dneh pokrit z ustrezno termično ponjavo, ali pa je na splošno odkrit.

Abruto = 0,5 - 1 x Abazena ..... (m2)

Abruto : Skupna površina solarnih kolektorjevAbazena : Površina bazenaFaktor 0,5: Pri nepokritem bazenuFaktor 1: Pri pokritem bazenu

Za potrebe ogrevanja sanitarne vode moramo izračunano skupno površino kolektorjev še dodatno povečati. Ko smo to naredili, izvedemo dodatno dimenzioniranje kombiniranega sistema za ogrevanje prostorov in sanitarne vode.

Upoštevati moramo tudi, da je izkoristek kolektorjev, pri običajni temperaturi vode (20 - 30 °C) in poletnih temperaturah zraka, komaj kaj višji od izkoristka posebne plastične absorbcijske folije (ki jo uporabljamo še posebej za ogrevanje bazenov).

12

Hidravlična povezava solarno ogrevanega bazena se lahko izvede na rezlične načine. Slika 24 nam kaže neposredno integracijo solarnih kolektorjev v hidravlični tokokrog bazena.

To se izvede z dodatno črpalko na primarnem krogu solarnih kolektorjev, ki dovaja solarno toploto vodi v bazenu. Za hidravlično ločitev sistemov (raztopina glikola in bazenska klorirana voda) lahko uporabimo ploščati ali cevni toplotni izmenjevalec. Glede regulacije je treba povedati, mora najprej segreti ustrezen volumen v hranilniku za ogrevanje sanitarne vode, nato pa se začne ogrevati voda v bazenu.

Nadaljnja možnost integracije bazena je prikazana na sliki 25. Vsi toplotni tokovi so v tem primeru izvedeni preko hranilnika toplote. Slabost pri tem je, da imamo dva toplotna izmenjevalca med solarnim delom in bazenom, kar nam da manjši učinek kolektorjev v smislu končne temperature. Na drugi strani pa je prednost te vezave v tem, da lahko po potrebi dogrejemo bazen s konvencionalnim kotlom preko hranilnika toplote.

Slika 24: Neposredna integracija plavalnega bazena v solarni tokokrog

Slika 25: Posredna vključitev ogrevanja plavalnega bazena preko hranilnika toplote

13

Hra

niln

ik to

plot

eH

rani

lnik

topl

ote

solar

ni ko

lektor

ji

solar

ni ko

lektor

ji

vroča voda

mrzla voda

mrzla voda

ogrevanje prostorov

ogrevalni kotel

ogrevalni kotel

vroča voda

ogrevanje prostorov

filter

filter

klorirana voda bazena

klorirana voda bazena

vroča sanitarna voda

vroča sanitarna voda

5. Dimenzioniranje kombiniranih sistemov

Smernice za načrtovanje solarnih ogrevalnih sistemov ne morejo biti podane tako natančno, kot pri napravah za pripravo tople sanitarne vode. Številne omejitve nam dopuščajo, da podamo splošne smernice, vendar pa je odločitev o stopnji pokritosti toplotnih potreb s strani solarnega ogrevanja in o finančnem vložku na strani lastnika zgradbe. Pri projektiranju ne smemo misliti le na ekonomske razloge za vgradnjo sistema, ampak da bomo na ta način tudi zagotovili poceni vir energije za bodočnost in znatno zmanjšali emisije CO2. V tem poglavju smo podali nekaj dodatnih diagramov, ki bodo v pomoč pri učinkovitem tehničnem projektiranju sistema in odločitvi po stopnji pokritja ogrevanja s solarnim sistemom. Diagrami so bili izračunani v TU Graz s pomočjo simulaci-jskega programa SHWwin (Streicher et al. 1999). Začetna točka simulacije je bila povprečna osnovna hiša (osnovni podatki v tab. 2), pri kateri smo spreminjali različne parametre, da smo dobili ustrezne podatke.

Tabela 2: Pregled osnovnih podatkov referenčne zgradbe (osnova za izračun nadaljnjih diagramov)

5.1 Dimenzioniranje kolektorske površine in volumna hranilnikov toplote

Slika 26 nam kaže diagram stopnje solarne pokritosti potreb po ogrevanju (referenčna hiša) pri različnih površinah kolektorjev in različnih velikostih volumna hranilnika toplote. Stopnja pokritosti značilno narašča v območju manjših volumnov hranilnika. Ker z volumnom narašča cena hranilnika, je za enodružinsko hišo smiselno inštalirati hranilnike do 4m3 volumna. Nadalnje povečanje volumna zelo malo prispeva k večji stopnji pokritosti potreb po ogrevanja s solarnim virom. Enako velja tudi za površino kolektorjev. Stop-nja pokritosti narašča vedno manj z večanjem površine kolektorjev. Razdalja med krivuljami konstantne površine kolektorjev postaja manjša.

stavbalokacija Grazogrevalna moč 8 kWtemperaturni prag ogrevanja 12 °C temperatura ogrevanja 40/30 °C sanitarna vodakoličina 200 l/dan /45 °Chidravlika sistema sistem z dvema hranilnikomasolarni sistempovršina kolektorjev 30 m2 ploščatih kolektorjevsmer jughranilnik sanitarne vodevolumen 500 litrovhranilnik toplotevolumen 2000 litrovdebelina izolacije 15 cm (Lambda = 0,05)

14

Na osnovi teh podatkov nam postane bolj jasno, na čem temelji strategija solarnega ogrevanja kot podpora klasičnemu ogrevanju. Zaradi nihanja v razpoložljivi sončni energiji se po nekaj dneh v toplotnem hraniln-iku vzpostavi ravnotežje in temperatura se ne viša. V primeru popolne solarne oskrbe s toploto se dovedena solarna toplota shranjuje skozi veliko daljši čas in zahteva znatno večji hranilnik toplote. Leta 1996 so v Avstriji so postavili enodružinsko hišo s polnim solarnim pokritjem potreb po ogrevanju sanitarne vode in prostorov. Celotna toplotna moč ogrevanja (približno 4,5 kW) je pokrita s solarnim sistemom s skupno površino 85m2 in hranilnikom toplote z volumnom 75 m3 (slika 27).Zgradbe s polnim solarnim pokritjem potreb po ogrevanju nam zelo prepričljivo prikažejo učinkovitost solarnih sistemov. Iz osnovnih podatkov, pa je lepo razvidno, da bi nam izvedba s 100% solarnim pokritjem zelo dvignila ceno solarnega sistema. Iz ekonomskega razloga je zato bolj zanimiv koncept “solarne pod-pore ogrevanju” zgradbe. V diagramu št. 26 je podana stopnja pokritja toplotnih potreb v odvisnosti od površine kolektorjev in vo-lumna hranilnika toplote pri toplotni moči ogrevanja 8 kW. Prikazan je tudi monograf št. 28. Če hočemo prebrati podatke je treba postaviti količnik volumna hranilnika in povšine kolektorjev nasproti toplotne moči hiše.

Stopnja solarnega pokritja potreb po toploti - v odvisnosti od volumna hranilnika toplote in površine solarnih kolektorjev

Slika 26: Stopnja solarnega pokritja potreb po toploti - v odvisnosti od volumna hranilnika toplote in površine so-larnih kolektorjev s priporočenimi mejami za dimenzioniranje sistema

Stopnja pokritja potreb po

ogrevanju (%)

Površina solarnihkolektorjev (m2)

Volumen hranilnika toplote (m3)

Slika 27: Pogled na polno solarno ogrevano enodružinsko hišo z vgrajenimi solarnimi kolektorji s skupno površino 85 m2 na avstrijskem Štajerskem (levo). Vstavljanje 75 m3 velikega hranilnika toplote poteka s pomočjo dvigala

(desno).

15

S pomočjo navedenega monografa dimenzioniranja lahko hitro preberemo željene podatke. Če želimo doseči določen delež pokritosti s solarnim sistemom, potem poiščemo to številko na pokončni y osi. V tej višini po-tem potegnemo vodoravno črto in pogledamo, kje se le ta seka z eno ali več krivuljami.

V odvisnosti od tega katero krivuljo gledamo, pomnožimo toplotno moč zgradbe s številko krivulje (legenda zgoraj levo) in tako dobimo potrebno površino solarnih kolektorjev. Podobno lahko dobimo volumen hranilnika toplote. Na prejšnje presečišče krivulje postavimo sedaj navpično črto in preberemo vrednost iz vodoravne x osi. To vrednost pomnožimo s toplotno močjo hiše in dobimo potreben volumen zalogovnika toplote v m3. V osnovnem pravilu, volumen hranilnika ne sme biti manjši kot 50 litrov / m2 kolektorske površine.

Če na primer, za dopolnilno ogrevanje vgradimo bojler na lesna polena, potem je potrebno povečati volumen zalogovnika toplote, da lahko sprejme vso energijo lesa, ki se sprosti pri enkratnem polnjenju bojlerja, ker tako dosežemo večje udobje in nizke emisije CO2. Če za dopolnilno ogrevanje uporabimo na primer plinski gorilec z visokim izkoristkom, ne potrebujemo nobenega povečanja volumna hranilnika.

Slika 28: Delež pokritja skupnih potreb po toploti s strani solarnega sistema v odvisnosti od površine solarnih kole-ktorjev in volumna hranilnika toplote.

Slika 31: Barvni absorberji z optično selektivno prevleko za boljši izgled stavbe

Slika 29: Integracija solarnih sis-temov pokončno v fasado zgradbe postane zelo zanimiva opcija pri kombiniranih solarnih sistemih

ogrevanja (Vir: SIKO Energiesys-teme Ges.m.b.H&Co.Kg, Jenbach)

Slika 30: Sevanje na površini s 45° in 90° naklonom, Graz, Austria. Spomladi in jeseni je sevanje podobno, poleti pa pri fasadnih kole-ktorjih ne prihaja do problema pregrevanja.

16

površina kolektorjevm2 / kW

5.2 Primer kombiniranega sistema solarnega ogrevanja instaliranega na Češkem

Naslednja tabela navaja podatke o porabi energije na izbranem primeru štiričlanske družine, ki se je odločila za rekonstrukcijo svojega doma. Vgradila je kombinirani solarni sistem za ogrevanje sanitarne vode in ogrevanje prostorov. Poraba sanitarne vode znaša v enem dnevu približno 200 litrov, voda pa je ogreta na 55 stopinj Celzija. Kombinirani solarni sistem, ki izkorišča presežek energije za ogrevanje prostorov je sestavljen iz naslednjih delov: solarni kolektor površine 12 m2, zbiralni rezervoar prostornine 600 litrov, napeljava in regulacija. V obdobju pomanjkanja zadostnega sončnega sevanja predstavlja plinski kotel rezervni vir energije.

MESEC ŠT.DNI

IZKORISTEKKOLEKTORJA

(v kWh)

CELOTNAPOTREBA

PO TSV(v kWh)

POTREBA POOGREVANJUPROSTOROV

( v kWh)

CELOTNA POTREBA

PO ENERGIJI(v kWh)

KRITJE POTREB (v kwh)

REALNI PRIHRANEK

V %

Januar 31 321 372 6520 6892 321 5Februar 28 542 336 6153 6488 542 8Marec 31 939 372 4898 5269 939 18April 30 1113 360 3337 3696 1113 30Maj 31 1444 372 1065 1437 1437 100Junij 30 1583 360 0 360 360 100Julij 31 1577 372 0 372 372 100Avgust 31 1421 372 0 372 372 100September 30 1168 360 1071 1431 1168 82Oktober 31 711 372 3275 3647 711 19November 30 320 360 4775 5135 320 6December 31 190 372 6000 6371 190 3

SKUPAJ LETNO

365 11329 4375 37094 41469 7844 19

Ti podatki so rezultat dolgotrajnih meritev storilnosti solarnega sistema v podnebnih pogojih, ki veljajo na Češkem. Izkazujejo dobre izkoristke sistema skozi vse leto. Družina razmišlja tudi o izkoriščanju presežkov sončne energije za ogrevanje vode v bazenu na vrtu. Izračunani odstotek celotne pokritosti energetskih potreb s sončnim kolektorjem znaša 19%. Iz tabele na sliki 25 lahko sklepamo, da bi nam sistem z npr. 25 m2 kolektorjev in hranilnikom tople vode s prostornino približno 1,2 m3 dal skoraj 30% pokritje potreb po toplotni energiji enodružinske hiše.

17

6. Ekonomika še zdaleč ni vse

Malokdo razmišlja o vgradnji solarnega sistema le na osnovi ekonomskega preudarka. Strokovnjaki in upo-rabniki so se glede glavnih razlogov za vključitev sonca v energetiko gospodinjstva že poenotili:

• Solarni sistem zmanjšuje odvisnost uporabnika od centralne kurjave, kjer prihaja lahko do okvar ali celo do izpadov kot posledice preobremenjenosti omrežja:

• Solarni sistem predstavlja vrh uporabnikovega udobja in varnosti delovanja;

• Solarni sistem poleg odgovornega odnosa do družinskega proračuna izkazuje tudi odgovorno obnašanje uporabnika do okolja. Vsaka kilovatna ura energije, proizvedena s pomočjo solarnega sistema pomeni prihranek okoli 1 kg CO2, ki bi se v primeru uporabe fosilnih goriv nalagal v atmosferi. Nesreč v rud-nikih premoga in izlivih nafte iz tankerjev niti ni treba posebej omenjati;

• Solarni kolektor na strehi predstavlja za okolje in družinski proračun vsekakor bolj smiselno naložbo kot je naložba v drago znamko avtomobila pred domom;

• Solarni sistem izrazito znižuje odvisnost od rasti cen energije. Za kritje vseh potreb po energiji v gospodinjstvu danes družina v povprečju nameni 3 mesečne plače na leto. To število bo v prihodnosti neprestano raslo, uporabnik solarnega sistema pa bo del teh odhodkov lahko porabil za kaj drugega;

Sonce oddaja energijo na zemeljsko površje v za-dostni količini in ob upoštevanju geografskih pogo-jev enako za vsakega od nas. Pridobivanje energije iz tega vira kot posebni privilegij peščice posameznik-ov ni mogoče. Glede na to, da je energijska gostota sončnih žarkov relativno majhna, jih ni niti mogoče niti smiselno vojaško ali kako drugače obvladovati, kontrolirati oziroma zlorabljati. Solarna strategija bi lahko v prihodnosti predstavljala del širše strategije miru in prosperitete.

18

Indijanski pregovor »Zemlje nismo podedovali od naših staršev, temveč smo

si jo samo izposodili od naših otrok« pove pravzaprav vse o trajnosti (ljudi in dobrin). Zahodne industri jske dežele so dolgo potrebovale, da so prišle do tega

spoznanja.

Z gotovostjo lahko ocenimo, da danes na leto porabimo tolikšno količino fosilnih goriv (premog, nafta, zemeljski plin), ki se je nalagala približno milijon let. Pri današnjem tempu črpanja in porabe fosilnih goriv, bodo njihovi viri izčrpani v nekaj deset letih. Jedrska energija na žalost ni rešitev, saj strokovnjaki ocenjujejo, da bo plutonija zmanjkalo v manj kot 50 letih. Problem sodobnega energetskega sistema je tudi sam energetski primanjkljaj, saj ima le petina človeštva na voljo dovolj energije. Preostale štiri petine človeštva pa si vedno bolj prizadeva za večji dostop do (kon-vencionalnih) energetskih virov. Poleg dviga cen energije lahko upravičeno pričakujemo tudi porast socialno političnih napetosti, saj bo tako naglo rast povpraševanja praktično nemogoče zadovoljiti. Ta problem je treba začeti reševati takoj in to tako na svetovni, globalni ravni, državni in lokalni ravni kot tudi na ravni vsakega posameznika posebej, kjer je treba računati z odgovornostjo vsakega od nas.

19

Nekaj primerov kombiniranih sistemov ogrevanja:

Hotel na 2000 metrih višine, Silvretta, Avstrija. Površina kolektorjev: 60 m2; volumen hranilnikov: 3x 0,3 m3 za sanitarno vodo, 14 m3 za ogrevanje prostorov, dodatno ogrevanje na elektriko.

Hotel, Koroška, Avstrija. Površina kolektorjev: 144 m2; dva vzporedno vezana hranilnika z dodatno povezavo na plavalni bazen čez poletje.

Privatna hiša, Danska. Površina kolektorjev: 26 m2; volumen hranilnikov: 0,5 m3 za sanitarno vodo, 3 m3 za ogrevanje prostorov (dva hranilnika, vzporedna vezava).

Enodružinska hiša v zimskem času, Jannersdorf, Avstria. Površina kolektorjev: 44 m2; volumen hranilnikov: 0,3 m3 za sanitarno vodo, 4,8 m3 za ogrevanje prostorov (dva hranilnika v zaporedni vezavi).

Privatna hiša, Ludesch, Vorarlberg, Avstrija. Površina kolektorjev: 42 m2; volumen hranilnikov: 0,3 m3 za sanitarno vodo, 7 m3 za ogrevanje prostorov (sezonski zalogovnik).

Dvodružinska hiša, Hitzendorf, Avstrija. Površina kole-ktorjev: 92 m2; volumen hranilnikov: 0,5 m3 za sanitarno vodo, 8,3 m3 za ogrevanje prostorov, kotel na drva za dodatno ogrevanje.

Vrtna instalacija, Švica. Površina kolektorjev: 18 m2; volumen hranilnikov: 0,5 m3 za sanitarno vodo, 2 m3 za ogrevanje prostorov.

Instalacija na ravni strehi, Švica. Površina kolektorjev: 28 m2; volumen hranilnikov: 0,5 m3 za sanitarno vodo, 2,8 m3 za ogrevanje prostorov.

20