Popis výpočetního programu
K nejdůležitějším částem výpočetního programu patří:
Simulace průtoku pracovní kapaliny primárním okruhem.
Umožňuje sledování okamžitých hodnot teploty v kterékoliv místě primárního okruhu i
ve spotřebičích tepla.
Výpočet polohy Slunce na obloze.
Slouží ke stanovení velikosti slunečního záření, dopadajícího na kolektor a k výpočtu
optických ztrát. Umožňuje vyšetřit vliv nestandardní orientace kolektorů.
Výpočet optických ztrát.
(Pro různé typy kolektorů).
Rozklad normálů teplot vzduchu na denní chody.
Výpočet denních chodů slunečního záření pro různé typy dnů v jednotlivých měsících a v různých klimatických oblastech.
Výpočet změny teploty pracovní kapaliny v jednotlivých kolektorových rámech.
Výpočet tepelných ztrát potrubí.
Rozhodovací člen toku pracovní kapaliny(regulace).
Výpočty pro vytápění.
Výpočty pro ohřev bazénu.
Výpočty pro ohřev zásobníku teplé vody.
Umožňuje i výpočty pro sériové či paralelní řazení zásobníků, ohřev zásobníku pomocným zdrojem a časování odběrů teplé vody.
Simulace vrstvení teplé vody v zásobníku.
Podstatně zpřesňuje hodnoty teplot vody odebírané ze zásobníku i odhady energetického
zisku solárního systému.
Simulace směšovacího ventilu.
Pozdrží plánovaný odběr patra, jestliže v předešlém odběru bylo odebráno patro o větší
než zvolené teplotě (obvykle 55°C). Pozdržení odběru je úměrné teplotě vody
odebraného patra podle kalorimetrické rovnice. Ve výsledném protokolu je pak uveden
počet odebraných pater teplé vody ze zásobníku a odpovídající odběr studené vody,
potřebné k míchání na požadovanou teplotu. Tento odběr studené vody je též vyjádřen
v patrech. Je-li např. velikost zásobníku 400 l a je-li rozdělen výměníkem na dvě stejné
části, obsahuje horní vrstvená část 200 l. Zvolíme–li dělení na 10 pater, odpovídá jedno
patro 20 l. Je-li obvyklý denní odběr 200 l teplé vody, pak v měsíci o 31 dnech je za 10 let
odebráno 3100 pater. Tuto hodnotu pak musí dát součet odebraných pater teplé vody a
pater, odpovídajících studené vodě, potřebné pro činnost směšovacího ventilu.
Generování řad dnů podle množství dopadnuté energie slunečního záření
v jednotlivých měsících pomocí náhodných čísel pro desetiletá období.
Podstatně zpřesňuje hodnoty teplot vody odebírané ze zásobníku i odhady energetického
zisku solárního systému.
Další pomocné výpočty.
Zisk zadní strany vakuových kolektorů při instalacích na plochou střechu, vliv tepelných
ztrát při cirkulaci teplé vody v potrubí, simulace chodu oblačnosti, stínění kolektorů
okolními objekty, tepelné ztráty zásobníku apod.
Postup výpočtu
V jednotlivých časových krocích jsou načítána data klimatických veličin, ozáření kolektorové plochy je počítáno dle orientace kolektoru a okamžité polohy Slunce na obloze. Následuje výpočet optické propustnosti skleněného krytu příslušného typu kolektoru v daném okamžiku. Výpočty jsou vykonávány odděleně pro přímé a pro rozptýlené záření. Obdržená data energie slunečního záření, pohlcené v daném časovém kroku absorbérem jsou po výpočtu tepelných ztrát kolektoru nebo potrubí použita k vyčíslení velikosti využitelné energie s následnou změnou teploty pracovní kapaliny v daném místě.
Na začátku výpočtu každého dne je pracovní kapalině přiřazena teplota okolního vzduchu. Po každém ukončeném časovém kroku je porovnávána teplota pracovní kapaliny na konci kolektorového pole s požadovanou teplotou. Jedná-li se např. o nejčastější aplikaci – ohřev teplé užitkové vody v jednom zásobníku - je požadovanou teplotou teplota vody v zásobníku (čidlo bývá umístěno ve spodní části u výměníku) zvýšená o regulační konstantu.
Není-li tato podmínka splněna, pracuje solární systém ve statickém režimu (čerpadlo vypnuto) a pracovní kapalina zůstává na svém původním místě. Při splnění podmínky je po časovém kroku solární systém v dynamickém režimu (čerpadlo zapnuto) a dochází k průtoku pracovní kapaliny primárním okruhem. Oba pracovní režimy se mohou kdykoliv střídat podle pracovních podmínek solárního systému.
Při ohřívání vody dochází v zásobníku k jejímu teplotnímu rozvrstvení. Protože tato skutečnost značně ovlivňuje celkový pracovní režim solárního systému, byla použita metoda simulačního vrstvení vody pomocí následujícího postupu. Solární zásobník je rozdělen na dvě části, spodní část s výměníkem tepla (zde dochází k promíchávání vody a proto je zde uvažována teplota vody rovnoměrná) a horní část, která je rozdělena na určitý počet vrstev vody, zde nazývaných pater. Při vstupu do výměníku se pracovní kapalina ochlazuje a současně ohřívá vodu v zásobníku. Rozdělíme-li výměník na určitý počet dílků, v každém dostaneme určitou teplotu ohřáté vody, která je závislá na teplotě pracovní kapaliny, teplotě vody ve spodní části zásobníku a na účinnosti výměníku. Výpočetní program pak sleduje okamžitou teplotu vody v jednotlivých patrech horní části zásobníku a daný dílek ohřáté vody umístí do nejvyššího patra, které má teplotu nižší než tento dílek. Teplota vody v příslušném patře se tak ohřeje energií, přinesené umístěným dílkem. V případě, že dílek nemá dostatečnou teplotu na to, aby byl umístěn v horní části zásobníku, ohřeje (a v určitém případě i ochladí) spodní část zásobníku.
Výpočetní program dále dovoluje v zadaném čase odběr zadaného množství vody ze zásobníku (vždy celý násobek objemu jednoho patra, přičemž přirozeně jsou jednotlivá patra odebírána od nejvýše uloženého). Po odběru vody se neodebraná patra posunou o příslušný počet pater výše a spodní část zásobníku se promíchá s příslušným množstvím vstupní studené vody.
Jak je popsáno v kapitole Vstupní data klimatických veličin, jsou jednotlivé měsíce rozděleny na dny s různým denním množstvím energie slunečního záření. Pokud není do druhého dne zásobník zcela vybit, což je běžný případ, je celkový energetický zisk solárního systému závislý i na sledu těchto dnů. Z tohoto důvodu jsou generováním náhodných čísel řazeny dny s různým energetickým přínosem dle jejich statistické četnosti v každém měsíci po dobu deseti let, což je i doba, po kterou byly hodnoty slunečního záření pro statistické vyhodnocení měřeny.
Pracovní kapalina v každém dílku potrubí solárního systému je pak simulačně ochlazována (tepelné ztráty potrubí) výpočtem, při které je pracovní kapalině odnímána tepelná energie v závislosti na zadaném součiniteli tepelných ztrát, světlosti potrubí a průtoku.
Vstupní data klimatických veličin
Hodnoty slunečního záření
Jsou převzaty z práce „Popis pole globálního záření na území ČR v období
1984-1993“, která vznikla v rámci Národního klimatického programu ČR.
Jsou zde dostupné nejen průměrné denní chody globálního slunečního záření v jednotlivých měsících, ale též jejich procentuální rozdělení na přímé a rozptýlené (difúzní) záření a změna těchto hodnot pro jasné dny.
Výpočetní program v každém časovém kroku vypočítává přímé a rozptýlené sluneční záření, dopadající na horizontální plochu, okamžitou polohu slunce na obloze pro středový den každého měsíce a velikost jednotlivých složek slunečního záření, včetně odrazeného, které dopadají na sluneční kolektor zadané orientace (úhel sklonu a azimut kolektoru). Zároveň se sumují energie slunečního záření, odpovídající všem uvedeným složkám.
Prvkem, který značně zpřesňuje výpočty, jsou statisticky zjištěné četnosti dnů dle množství energie globálního slunečního záření, dopadnutého na horizontální plochu v jednotlivých měsících s jemností rozdělení po 1 MJ/m**2. To znamená, že např. pro červenec v nížinné oblasti je výpočet vykonáván pro 29 různých typů červencových dnů.
Globální záření je dále rozděleno na 5 různých pásem, charakterizujících jednotlivé oblasti území ČR
Hodnoty teplot vzduchu
Jsou převzaty z práce „Normály teploty vzduchu na území ČR v období 1961-1990 a vybrané teplotní charakteristiky období 1961-2000“, která rovněž vznikla v rámci Národního klimatického programu ČR.
Tato práce obsahuje normály teplot vzduchu pro všechny okresy ČR s rozdělením (například) dle nadmořské výšky, extrémní hodnoty apod. Průměrné denní chody teplot vzduchu v jednotlivých měsících jsou pak získávány pomocí známých denních chodů z měřených míst jejich korelací dle nadmořské výšky a normál teplot vzduchu v daném místě.
Ostatní vstupní data
Sluneční kolektory – údaje výrobce
- Velikost absorpční plochy jednoho rámu
- Obsah pracovní kapaliny jednoho rámu
- Optimální průtok pracovní kapaliny kolektorem
- Z naměřené křivky účinnosti:
- optická účinnost pro kolmý dopad slunečního záření
- konstanty lineárního a kvadratického členu
- koeficienty změny účinnosti kolektoru pro šikmý dopad azimutální a dle odklonu od úhlu sklonu kolektoru
Solární systém
- Počet kolektorových rámů zapojených v sérii
- Počet paralelních větví
- Azimut a úhel sklonu kolektorových rámů
- Albedo a případné stínění jinými objekty (omezení úhlem dopadu přímého slunečního záření)
(standardně je nastaveno omezení 0 až 5° výšky Slunce nad obzorem).
- Průměr a délka rozvodného potrubí
- Součinitel tepelných ztrát potrubí
- Zeměpisná šířka a nadmořská výška místa instalace
- Počet hodin slunečního svitu (pro zjemnění při výběru pásma slunečního záření)
- Regulační konstanta
- Měrná tepelná kapacita pracovní kapaliny
Systémy pro ohřev vody
- Obsah zásobníku a teplota vody na začátku výpočtu pro každý zásobník
- Účinnost výměníku
- Doba a (nebo) časový krok a velikost odběru ohřáté vody ze zásobníků
- Průměrná teplota studené vody vstupující do zásobníků v každém měsíci
- Množství a čas ohřevu vody v zásobníku pomocným zdrojem
Ohřev bazénu
Obsah a teplota vody na začátku výpočtu.
Vytápění
Požadovaná vstupní teplota a teplotní spád soustavy.
Regulace systému
Údaje nutné pro rozhodování, který spotřebič tepla bude přednostně připojen k průtoku pracovní kapaliny solárním systémem. U složitějšího systému jsou často potřebné úpravy základního software.