Efektivní řízení provozu solárních energetických systémů

Solární energetický systém může být ve stavebních objektech efektivně použit jako primární zdroj tepla pro ohřev užitkové vody, vody v bazénech, pro vytápění a všude tam, kde je možnost akumulovat teplo nepravidelně dodané prostřednictvím slunečních kolektorů. Aplikace vhodného řešení vede ke snížení spotřeby tepelné energie, kterou dosud pokrývaly konvenční zdroje, a ke zvýšení kvality životního prostředí a úrovně bydlení.

Rozdělení solárních energetických systémů

Solární energetický systém se skládá z okruhu kolektorů (primární část) a okruhu spotřebitelů (sekundární část). V primární části probíhá zachycení sluneční energie absorpční plochou kolektorů, její přeměna v teplo a následné odevzdání teplonosné lát­ce. Ta ho dále prostřednictvím čerpadla dopravuje buď přímo na místo spotřeby, nebo do zásobníku. Sekundární okruh může dále pokračovat do rozdělovače, kde se teplo rozděluje do jednotlivých spotřebitelských okru­hů podle jejich individuálních požadavků.

Solární energetické systémy se rozdělují podle mnoha hledisek, budou uvedena jen ta, která sehrávají důležitou roli při volbě regulační strategie:

a) podle způsobu využití:

• k přípravě teplé vody (dále TV),
• k vytápění,
• k ohřevu vody bazénů;

b) podle doby provozu:

• se sezonním provozem,
• s celoročním provozem;

c) podle počtu zdrojů tepla:

• monovalentní (jediným zdrojem tepla solární kolektor),
• bivalentní (solární kolektor + doplňkový konvenční zdroj tepla),
• polyvalentní (více zdrojů tepla);

d) podle počtu odběrných míst:

• jednookruhové (příprava TV nebo ohřev vody v bazénu),
• dvouokruhové (příprava TV a vytápění),
• víceokruhové (příprava TV, ohřev vody v bazénu a vytápění);

e) podle průtoku v kolektorovém okruhu:

• s konstantním průtokem

1. s vysokým průtokem (high-flow) – 30–70 l/(h . m²) kolektorového pole,
2. s nízkým průtokem (low-flow) – 8–15 l/(h . m²) kolektorového pole,

• s proměnlivým průtokem (matched-flow).

Zásobníky

4Množství sluneční energie zachycené kolektory je v čase proměnlivé, závisí jednak na cyklických změnách v důsledku pohybu slunce po obloze, na změnách oblačnosti, na ročním období a na sklonu a orientaci kolektorů. Výroba solárního tepla a jeho dodávka jednotlivým spotřebitelským okruhům zpravidla neprobíhá současně. K překlenutí tohoto časového posunu se do systému zařazují zásobníky, v nichž se solární teplo akumuluje. Tato zařízení se vyrábějí jako zásobníkové ohřívače nebo akumulační zásobníky tepla. Při nabíjení mohou nastat dvě skutečnosti:

1. v zásobníku dochází k vrstvení teplot, které se výrazněji projevuje ve vysokých a štíhlých nádobách, v úrovních s odstupňovanou teplotou je možné umístit výměníky tepla pro jednotlivé spotřebitelské okruhy,
2. v zásobníku dochází k promíchání obsahu, čímž se dosahuje rovnoměrné teploty v celém objemu obzvlášť v ležatých zásobnících s výměníkem kolektorového okruhu umístěným ve spodní části.

Podle konstrukčního vyhotovení se zásobníky dělí na několik typů [3]:

Monovalentní zásobníky
Používají se pro sezonní provoz k přípravě teplé vody a jsou v horizontálním nebo vertikálním provedení. Mohou být vyhotovené jako beztlakové nebo tlakové nádoby.

Bivalentní zásobníky
Používají se pro celoroční ohřev vody. Jsou to zásobníkové ohřívače s integrovanými výměníky tepla v místě odběru v horizontálním nebo vertikálním vyhotovení napojené na vnější nebo vnitřní ohřev (obr. 1).

Kombinované zásobníky
Jsou to zařízení určená pro akumulaci tepla ve víceokruhových soustavách, napojená k doplňkovému zdroji tepla, s nepřímým ohřevem vody v okruhu odběrných míst prostřednictvím výměníků tepla v každém odběrném místě.

Důvody automatického řízení

Provoz solárních energetických systémů není z důvodů proměnlivosti energie slunečního záření, možnosti dosažení nepřípustně vysokých, resp. nízkých teplot pracovní látky a potřeby návaznosti provozu primárního okruhu na potřeby sekundárního okruhu možný bez automatického řízení.

Řídicí systém musí zabezpečit několik základních úkolů:

1. odvedení využitelné energie z kolektorového pole v době slunečního svitu a zároveň zabránění odvodu tepla v době jeho nedostatku,
2. rozdělení využitelné solární energie,
3. dodržení mezních hodnot teplot,
4. zabezpečení co nejvyšší účinnosti kolektorů při všech klimatických a provozních podmínkách,
5. zapojení doplňkového vytápěcího zdroje.

Regulační strategie

Volba regulační strategie závisí na typu a velikosti solárního energetického systému, na provozním režimu průtoku kolektorového okruhu, na požadovaném stupni spolehlivosti a na ceně a dostupnosti jednotlivých komponentů řídicího systému.

Pro řízení přenosu tepla v solárním okruhu se používají následující spínací kritéria (obr. 2):

• teplota teplonosné kapaliny v kolektoru (dále teplota kolektoru) měřená ponorným snímačem teploty osazeným v pouzdře přímo v kolektoru, nebo není-li to možné, ve výstupním potrubí kolektoru – snímač T1,
• teplotní rozdíl mezi teplotou kolektoru a teplotou vody měřenou ve spodní části zásobníku (dále teplotní diference) – snímače T1 a T2,
• teplota vody měřená v horní části zásobníku – snímač T3,
• teplota vody měřená v prostřední části zásobníku – snímač T4.

Řízení nabíjení zásobníku v systémech s konstantním průtokem

Solární energetické systémy mohou být z hle­diska průtoku teplonosné kapaliny navrženy s vysokým průtokem nebo s nízkým průtokem.

Systémy s vysokým průtokem (high-flow): patří k tradičním solárním systémům starší generace. V současnosti se navrhují pro menší otopné soustavy a přípravu TV v rodinných domech. Průtok teplonosné látky se pohybuje v rozmezí 30 až 70 l/ (h . m²) kolektorové plochy, což má za následek pomalejší ohřev zásobníku na požadovanou teplotu, přičemž teplonosná látka musí primárním okruhem cirkulovat i víckrát. Při slabém slunečním svitu se požadované teploty v zásobníku nemusí vůbec dosáhnout.

Systémy s nízkým průtokem (low-flow): při podstatně nižším průtoku 8 až 15 l/(h . m²) se teplonosná kapalina ohřívá na mnohem vyšší teplotu, v důsledku čehož se pohotovostní část zásobníku nabije rychleji na požadovanou teplotu, takže se zkracuje doba ohřevu doplňkovým zdrojem. Nabíjení zásobníku na využitelnou teplotu však může probíhat i při slabším slunečním svitu, což zabezpečí vyšší energetické přírůstky než u konvenčních systémů. Pro efektivní provoz je potřebný zásob­ník s vrstvením teplot. Tyto systémy se v sou­časnosti využívají pro velké solární soustavy.

Řízení nabíjení solárního zásobníku působením řídicího systému na čerpadlo

Základním spínacím kritériem pro řízení přenosu tepla v primárním okruhu je teplotní diference. Regulátor porovnává dvě teploty: teplotu kolektoru a teplotu vody ve spodní části zásobníku. Ke spuštění čerpadla dochází ve dvou případech: při nízké teplotě v zásobníku nebo při dostatku energie v kolektorech (dále podmínky čerpání).

Na obr. 3 je statická charakteristika dvojpolohového regulátoru. Na regulátoru se nastaví spínací diference SD. Malý interval zvyšuje přesnost regulace, ale i opotřebení výstupního prvku a akčního členu. Naopak při velkém intervalu se šetří přístroje, ale kvalita regulace se zhoršuje. Skutečná hodnota regulované veličiny se pohybuje mezi bodem zapnutí ΔtON a bodem vypnutí ΔtOFF. Teplotní diference se zadává jako požadovaná hodnota ΔtW, závisí na typu zařízení a tepelných ztrátách primárního okruhu. Volí se obvykle v rozpětí 5–10 K. Regulátor uvede primární čerpadlo do provozu (ON), když regulovaná veličina dosáhne bodu zapnutí, a vypne ho (OFF), když její hodnota klesne na bod vypnutí.

Čerpadlo se v průběhu brzkých dopoledních hodin aktivuje za slunečního svitu 2- až 3krát a potom už pracuje nepřetržitě. Předností tohoto způsobu jsou nízké investiční náklady a jednoduchá regulace. Obvod se může doplnit dalším snímačem teploty, který se umístí v horní části zásobníku a může sloužit k aktivaci doplňkového zdroje tepla v případě, že solární teplo už nepostačuje (obr. 4).

Na obr. 5 je příklad řízení přenosu solárního tepla v systému s nízkým průtokem. Solární teplo se akumuluje v monovalentním zásobníku s podporou vrstvení teplot. Do potrubí primárního okruhu je zařazen trojcestný přepínací ventil, který přepíná průtok pracovní látky mezi dvěma výměníky tepla. Na regulátoru se nastaví dvě požadované hodnoty teplotní diference: kolektor – horní část zásobníku, kolektor – spodní část zásobníku. Po splnění podmínek čerpání regulátor uvede čerpadlo do chodu, přičemž přednostně se nabíjí horní část zásobníku.

Řízení nabíjení zásobníku působením řídicího systému na pohon trojcestného přepínacího ventilu
Tento způsob se používá, pokud je vzdálenost kolektoru od zásobníku dost velká (například ve vyšších budovách), aby se zabránilo nabíjení zásobníku studenou vodou z potrubí. Taková situace nastává například v časných ranních hodinách, kdy je intenzita slunečního záření nízká.

V blízkosti zásobníku v primárním okruhu je zabudovaný trojcestný ventil v rozdělovacím zapojení (obr. 6). Když teplotní diference dosáhne bodu zapnutí, regulátor uvede čerpadlo do chodu. Zároveň monitoruje teplotu teplonosné kapaliny snímačem (6). Při nízké teplotě kolektorů je přímá cesta ventilu uzavřená a kapalina výměník obtéká. Až když teplota přívodu dosáhne požadované hodnoty, regulátor otevře přímou cestu ventilu a zásobník se začne nabíjet.

Řízení nabíjení zásobníku v systémech s proměnlivým průtokem

Základem je osazení čerpadla s regulovatelnými otáčkami do primárního okruhu. Systémy s proměnlivým průtokem (matched-flow) patří k systémům nové generace (obr. 7). Cílem této koncepce bylo spojení výhod systémů s vysokým průtokem a s nízkým průtokem. Obě zmíněné koncepce však vyžadují rozdílné komponenty a konstrukční části, proto jsou na řídicí systém kladeny relativně velké požadavky.

Na regulátoru se nastaví teplotní diference, která se bude během provozu solárního
systému udržovat na konstantní hodnotě (např. 5–10 K). Regulátor srovnává teplotu kolektoru s teplotou ve spodní části zásobníku. Když se dosáhne bodu zapnutí, uvede čerpadlo do chodu. Při dostatečném slunečním svitu se zásobník rychle ohřeje na požadovanou teplotu a čerpadlo se odstaví. Při poklesu dodávky solárního tepla regulátor postupně snižuje otáčky čerpadla až na minimum při zachování teplotního rozdílu a nabíjení probíhá při nízké spotřebě elektrické energie. Když teplotní diference klesne na bod vypnutí, čerpadlo se odstaví. Pokud nadále trvá požadavek na dodávku teplé vody, zapíná se doplňkový zdroj tepla. Výhodou tohoto způsobu řízení je přizpůsobení průtoku pracovní látky dodávce solárního tepla [6].

Provoz s vysokým/nízkým průtokem (double-match-flow)

Tento způsob řízení zabezpečí optimální plnění stratifikačních zásobníků. V prostřední části zásobníku je umístěn prahový snímač teploty, na jehož základě regulátor vyhodnocuje úroveň nabití. Následně přepíná režim průtoku pracovní látky na provoz s nízkým, nebo vysokým průtokem.
Při provozu s nízkým průtokem zařízení pracuje s vyšší teplotou výstupu. Řídicí systém sníží otáčky čerpadla tak, aby se udržoval teplotní rozdíl mezi kolektorem a spodní částí zásobníku na hodnotě např. 30 K. Přednostně se ohřívá pohotovostní část zásobníku, čímž se výrazně sníží potřeba zapnutí doplňkového zdroje. Když se pohotovostní část ohřeje na teplotu 45 °C, regulátor přepne režim na provoz s vysokým průtokem a zvýší otáčky čerpadla. Teplotní rozdíl mezi kolektorem a spodní částí zásobníku klesne na polovinu (např. 15 K). Zařízení pracuje při nižší teplotě výstupu. Tepelné ztráty okruhu jsou minimální a stupeň účinnosti systému při plnění je optimální. Při poklesu intenzity slunečního záření regulátor bude snižovat otáčky čerpadla až do té doby, než se dosáhne vypínacího kritéria. Při poklesu teplotního rozdílu pod 5 K se čerpadlo vypne [6].

Řízení nabíjení zásobníku při provozu s opakovaným vyprazdňováním kolektorů (drain-back)
Solární zařízení je konstruováno jako beztlakový systém, proto není v primárním okruhu nutné zabezpečovací zařízení. Pokud je čerpadlo mi­mo provoz, teplonosná kapalina samospádem vyteče z kolektorů do zásobníku a potrubí pod kolektory. Následně se kolektory a potrubí nad zásobníkem zaplní vzduchem.

Provoz systému po splnění podmínek čerpání probíhá následovně (obr. 9): čerpadlo se zapne na plný výkon a pracovní kapalinu přečerpá během doby T1 z výměníku zásobníku do kolektorového pole. Potom regulátor sníží výkon čerpadla na minimum a kapalina cirkuluje systémem během doby T2, dokud se nestabilizují teplotní poměry. Následně přepne čerpadlo do normálního provozu a řídí jeho výkon tak, aby byla udržována teplotní diference na požadované hodnotě ΔTpož. Vzduch zůstane stlačený v horní části výměníku zásobníku, kde plní funkci expanzní nádoby. Systém může pracovat s provozem matched-flow, je-li teplota v pohotovostní části zásobníku nižší než 45 °C, nebo s provozem high-flow. V klidovém stavu je systém chráněn před přehřátím nebo zamrznutím [9].

Řízení nabíjení systému se dvěma zásobníky

Jedná se o případy, kdy se solárním teplem ohřívá pitná voda v zásobníku a v bazénu, do obvodu je zařazen vyrovnávající zásobník nebo je k dispozici dostatek solárního tepla dostatečně dlouhou dobu. Pro každý zásobník je potřebné samostatné řízení nabíjení (obr. 10).

Z hlediska akčních členů může být v okruhu osazeno společné čerpadlo pro zásobníky a regulátor ovládá pohon trojcestného přepínacího ventilu, nebo vlastní čerpadlo každého zásobníku.
Na regulátoru se nastaví priorita – který zásobník se začne nabíjet první. Provoz bude probíhat následovně:

• při dosažení zapínacího teplotního rozdílu prioritního zásobníku se tento zásobník začne nabíjet (spustí se čerpadlo nebo se přenastaví přepínací ventil), dokud není dosažena maximální teplota,
• není-li dosažen zapínací teplotní rozdíl prioritního zásobníku, začne se nabíjet druhý zásobník, přičemž jsou cyklicky kontrolovány zapínací podmínky prvního zásobníku (např. každé 2 minuty); jsou-li dosaženy, zapíná se nabíjení prioritního zásobníku; délka nepřetržitého odběru tepla druhým zásobníkem se může nastavit (např. 15 minut),
• není-li dosaženo zapínacího teplotního rozdílu ani jednoho zásobníku, odběr tepla ze slunečních kolektorů se vypíná.

Pro více samostatně regulovaných zásobníků s různými požadavky na teplotu vody se může vytvořit více úrovní teploty, např. 60 a 90 °C. Když je ve všech akumulátorech dosažena nižší nastavená hodnota 60 °C, přepne se žádaná hodnota na 90 °C. Opakovaná přepnutí na nižší teplotu se realizují až po vypnutí kolektorů z důvodu nedostatku solár­ního tepla a pokud je aspoň jeden zásobník pod spodní nastavenou hranicí [4].

Ochranné funkce kolektorového okruhu

Kolektory a některé prvky solárního systému jsou vystaveny působení vnějších klimatických podmínek. Protože jsou konstruovány pro určité provozní parametry (teplota, tlak), za jistých podmínek by mohlo nastat jejich poškození. Proto řídicí systém musí být vybaven funkcemi ochrany systému před překročením mezních hodnot, které jsou stanoveny v projektové dokumentaci.

Ochrana proti přehřátí

Při překročení maximální teploty by mohlo dojít k poškození systému, kdyby se čerpadlo uvedlo do provozu. Taková situace může nastat při dostatečné intenzitě slunečního záření, pokud neprobíhá odběr solárního tepla. Ochranná funkce řídicího systému pracuje následovně:

• stoupne-li teplota v kolektorech nad požadovanou hodnotu, zapne se solární čer­padlo a teplo se přečerpává do okruhu s nejvyšší prioritou až do dosažení maximál­ní teploty okruhu pro zastavení čerpání,
• pokud teplota kolektorů ještě neklesla, následně se bude solární teplo čerpat do okruhů s nižšími prioritami,
• ochrana proti přehřátí bude vypnuta, když klesne teplota v kolektorech o nastavenou teplotní diferenci (např. 5 K) nebo překročí maximální nastavenou hodnotu.

Ochrana proti zamrznutí

Jestliže v primárním okruhu proudí voda a ne nemrznoucí směs, hrozí systému při nízkých vnějších teplotách zamrznutí. Funkce protimrazové ochrany pracuje následovně:

• při poklesu teploty kolektoru pod hodnotu 4 °C se spustí čerpadlo,
• je-li čerpadlo v chodu a teplota vody v zásobníku klesne na 6 °C, zapne se doplňkový zdroj tepla a ohřeje zásobník na hodnotu např. 20 °C,
• při stoupnutí teploty kolektoru o nastavenou diferenci (např. 3 K) se čerpadlo zastaví.

Závěr

Vzhledem k tomu, že problematika efektivního řízení provozu solárních energetických systémů je velmi široká, v příspěvku jsou uvedeny základní způsoby řízení přenosu solárního tepla v primárním okruhu. Řídicí systém je vybaven i dalšími funkcemi, jako je termická dezinfekce zásobníku, ochrana spotřebitelů před opařením horkou vodou při vyšších výstupních teplotách zásobníku nebo řídicí funkce pro spotřebitelské okruhy, jejichž provoz musí navazovat na provoz primárního okruhu.

Příspěvek vznikl za podpory výzkumného úkolu Vega 1/1052/11.

Literatura
[1]    Cihelka, J.: Solární tepelná technika. Malina, Praha 1994
[2]    Ogoun, M.: Ovládání chodu oběhového čerpadla na solárním potrubním okruhu. In: Topenářství 8/2003
[3]    Petráš, D. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Jaga group, Bratislava 2009
[4]    Valter, J.: Regulace v praxi aneb Jak to dělám já. Ben, Praha 2010
[5]    Regulátor rozdielu teplôt RLE 127. Projekční dokumentace firmy Siemens
[6]    Solárna technika Logasol pre ohrev pitnej vody a podporu vykurovania. Podklady pre projektovanie 06/2007. Projekčná dokumentácia firmy Buderus
[7]    Šourek, B.: Navrhování a bilancování solárních soustav: Solární soustavy, typy, aplikace. Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní ČVUT v Praze, prezentace
[8]    Kramoliš, P.: Velkoplošné solární systémy.
In: internetový portál TZB-info www.tzb-info.cz/1949-velkoplosne-solarni-systemy
[9]    Ďuďák, P.: Inteligentný systém riadenia solárnych kolektorov. In: Technika 11/2009, Techpark

Ing. Daniela Koudelková, Ph.D.
Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, Ph.D.

Autorka působí na Katedře technických zařízení budov Stavební fakulty Slovenské technické univerzity Bratislava.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.