VLIV MALÝCH DOMÁCÍCH SPOTŘEBIČŮ NA EKONOMIKU KOMBINOVANÝCH SYSTÉMŮ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA CHEMICKÁ ÚSTAV CHEMIE A TECHNOLOGIE OCHRANY ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ FACULTY OF CHEMISTRY INSTITUTE OF CHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF ENVIRONMENTAL PROTECTION

VLIV MALÝCH DOMÁCÍCH SPOTŘEBIČŮ NA EKONOMIKU KOMBINOVANÝCH SYSTÉMŮ INFLUENCE OF SMALL HOUSEHOLD APPLIANCES ON ECONOMY OF COMBINED SOLAR SYSTEMS

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. ŽANETA HOSOVÁ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2013

Ing. JOSEF KOTLÍK, CSc.

Vysoké učení technické v Brně Fakulta chemická Purkyňova 464/118, 61200 Brno 12

Zadání diplomové práce Číslo diplomové práce: Ústav: Student(ka): Studijní program: Studijní obor: Vedoucí práce Konzultanti:

FCH-DIP0682/2012 Akademický rok: 2012/2013 Ústav chemie a technologie ochrany životního prostředí Bc. Žaneta Hosová Chemie a technologie ochrany životního prostředí (N2805) Chemie a technologie ochrany životního prostředí (2805T002) Ing. Josef Kotlík, CSc.

Název diplomové práce: Vliv malých domácích spotřebičů na ekonomiku kombinovaných systémů

Zadání diplomové práce: Zlepšení ekonomiky provozu malých domácích spotřebičů užitím termických a fotovoltaických solárních systémů. 1. Provést měření základních technologických parametrů. 2. Navrhnout ekologicky optimální řešení standardního pracího cyklu. 3. Nakreslit technologické schéma zapojení včetně regulačních uzlů. 4. Provést výpočet předpokládaných ekonomických přínosů. 5. Zhodnotit a diskutova optimální řešení a porovnat s již publikovanými výsledky.

Termín odevzdání diplomové práce: 3.5.2013 Diplomová práce se odevzdává ve třech exemplářích na sekretariát ústavu a v elektronické formě vedoucímu diplomové práce. Toto zadání je přílohou diplomové práce.

----------------------Bc. Žaneta Hosová Student(ka)

V Brně, dne 31.1.2013

----------------------Ing. Josef Kotlík, CSc. Vedoucí práce

----------------------doc. Ing. Josef Čáslavský, CSc. Ředitel ústavu ----------------------prof. Ing. Jaromír Havlica, DrSc. Děkan fakulty

ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá problematikou provozu malých domácích spotřebičů v systémech solárních technologií. Teoretická část práce uvádí popis solárních termických systémů a solárních fotovoltaických systémů, včetně možnosti jejich kombinace. Dále uvádí možnosti zapojení spotřebičů do systémů solárních technologií a ekonomickou stránku pracího procesu. Praktická část vyhodnocuje ekonomiku provozu malých domácích spotřebičů napojených na solární systém.

ABSTRACT This Master’s thesis deals with the problems of small domestic appliances in solar systems. The theoretical part provides a description of solar thermal systems and solar photovoltaic systems, including the possibility of their combination. It adds options connecting the small household appliances in system of solar technology and economics of the washing process. The practical part evaluates the economy of operation small household appliances connected to the solar system.

KLÍČOVÁ SLOVA Solární technologie, solární termické systémy, fotovoltaické systémy, malé domácí spotřebiče

KEYWORDS Solar technology, solar thermal systems, photovoltaic systems, small household appliances

3

HOSOVÁ, Ž. Vliv malých domácích spotřebičů na ekonomiku kombinovaných systémů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, 2013. 56 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Josef Kotlík, CSc..

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracovala samostatně a že všechny použité literární zdroje jsem správně a úplně citovala. Diplomová práce je z hlediska obsahu majetkem Fakulty chemické VUT v Brně a může být využita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana FCH VUT.

................................................

PODĚKOVÁNÍ Děkuji panu Ing. Josefu Kotlíkovi, CSc. za cenné rady, věnovaný čas a ochotnou pomoc při zpracování mé diplomové práce. Dále bych ráda poděkovala Ing. Františku Mikšíkovi za cenné rady a věnovaný čas.

1 OBSAH

1

Obsah .............................................................................................................................. 5

2

Úvod ............................................................................................................................... 7

3

Teoretická část ................................................................................................................ 8 3.1.

Sluneční energie ................................................................................................... 8

3.1.1.

Podmínky v ČR ............................................................................................. 8

3.1.2.

Možnosti využití sluneční energie .............................................................. 11

3.1.2.1. Pasivní využití sluneční energie .............................................................. 12 3.1.2.2. Aktivní využití sluneční energie ............................................................. 12 3.2. Solární termický systém ..................................................................................... 12 3.2.1.

Solární kolektor ........................................................................................... 13

3.2.1.1. Umístění solárního kolektoru .................................................................. 15 3.2.2. Akumulační nádrž ....................................................................................... 16 3.2.3.

Solární okruh ............................................................................................... 16

3.2.4.

Teplonosné médium .................................................................................... 17

3.2.5.

Pojistná zařízení .......................................................................................... 17

3.2.6.

Možnosti využití solárního termického systému ........................................ 18

3.2.7.

Způsoby provozu solárních soustav ............................................................ 18

3.3.

Fotovoltaické systémy ........................................................................................ 19

3.3.1.

Solární článek .............................................................................................. 19

3.3.2.

Fotovoltaické panely ................................................................................... 20

3.3.3.

Fotovoltaický systém a jeho prvky ............................................................. 21

3.3.3.1. Invertor .................................................................................................... 21 3.3.3.2. Akumulátorová baterie............................................................................ 21 3.3.4. Typy fotovoltaických systémů .................................................................... 22 3.4.

Kombinovaný solární systém ............................................................................ 25

3.5.

Spotřeba energie v domácnosti .......................................................................... 26

3.6.

Spotřebiče v systému solárních technologií ....................................................... 26

3.6.1.

Spotřebiče v systému termických soustav .................................................. 26

3.6.1.1. Možnosti zapojení spotřebičů k okruhu spotřeby solárního systému ..... 27 3.6.1.2. Pračky ..................................................................................................... 29 3.6.1.3. Proces praní ............................................................................................. 32 3.6.1.4. Ekonomické praní ................................................................................... 33 3.6.2. Spotřebiče v systému fotovoltaických soustav ........................................... 34 5

4

Experimentální část ...................................................................................................... 35 4.1.

Reálný systém - kombinovaná solární soustava Vracov .................................... 35

4.1.1.

Kolektorové pole ......................................................................................... 35

4.1.2.

Akumuační nádrž ........................................................................................ 35

4.1.3.

Ostatní komponenty .................................................................................... 35

4.1.4.

Regulace soustavy ....................................................................................... 36

4.1.5.

Schéma zapojení soustavy .......................................................................... 36

4.1.6.

Malé spotřebiče ........................................................................................... 37

4.1.6.1. Návrh optimálního pracího cyklu ........................................................... 38 4.1.6.2. Nastavení pracího a mycího cyklu .......................................................... 38 4.2. Měřené parametry .............................................................................................. 39 5

Výsledky a diskuse ....................................................................................................... 42

6

závěr ............................................................................................................................. 51

Seznam použité literatury ................................................................................................... 52 Zdroje obrázků .................................................................................................................... 55 Seznam příloh ..................................................................................................................... 56

6

2 ÚVOD Získávání energie a její využití je v současnosti předním tématem naší společnosti. Doba, kdy se lidstvo bude muset uskromnit ve svých potřebách energie a začít se poohlížet po jejich nových zdrojích, se blíží. Zásoby fosilních zdrojů energie se pomalu ztenčují a dříve či později dojde k jejich vyčerpání. Je třeba zaměřit výzkum v oblastech energetiky na nové možnosti zásobování energií. Obnovitelné zdroje tyto možností nabízí . Stále více se dostávají do popředí a stávají se poměrně snadno dostupné. Spotřeba energie na vytápění a ohřev vody činí v celkovém „energetickém účtu“ domácnosti tu největší položku. Využití solární energie představuje elegantní způsob, jak v domácnosti efektivně snížit množství energie odebírané z veřejné sítě. Navíc snižování závislosti na dodávkách energie z veřejné sítě mohou někteří obyvatelé pociťovat jako zvyšování své bezpečnosti. Ekonomické hledisko je věc, která je neustále probírána ze všech stran. Dodávky elektrické energie jsou pro nás dnes již takovou samozřejmostí, že těžko snášíme byť jen krátké výpadky elektrického proudu. Televizní přijímače, telefony, počítač, osvětlení, lednička, pračka a vytápění – nic z těchto spotřebičů nefunguje bez elektřiny. Počet spotřebičů v domácnostech navíc roste a s tím zpravidla roste i spotřeba elektřiny. Přitom mnoho z nás ani neví, kolik stojí 1 kWh elektrické energie a jak si ve spotřebě energie stojí právě jeho domácnost. Ten, kdo si diagnostikuje svou spotřebu z hlediska možnosti šetření, snadno odhalí značný potenciál úspor.

7

3 TEORETICKÁ ČÁST 3.1. Sluneční energie Z fyzikálního hlediska je Slunce fúzním reaktorem. V nitru Slunce probíhá samoregulovaná termonukleární reakce, při které se za extrémně vysokých teplot a tlaků slučuje vodík za vzniku helia. Při této slučovací se reakci dojde k uvolnění určitého množství energie. Tato energie je vyzařována do kosmického prostoru v podobě elektromagnetického záření. Předpokládaná doba vyčerpání vodíkových zásob Slunce je 5 až 7 miliard let. 3.1.1. Podmínky v ČR Mírou energetického účinku slunečního záření je intenzita záření I dopadajícího na povrch země, tj. na plochu pod vrstvou atmosféry. [1] Pokud záření při průchodu atmosférou není rozptýleno a dopadá na povrch Země přímo, označujeme toto záření jako přímé. Rozptýlené záření vznikne rozptylem přímých slunečních paprsků na molekulách plynných složek vzduchu, vodních kapkách, ledových krystalcích a různých aerosolových částečkách. [2] Intenzita na plochu kolmou ke směru paprsků je menší, než je intenzita na hranici atmosféry. [1] Intenzita přímého záření na plochu kolmou ke směru paprsků IPn [1]:  Z I Pn  I 0 exp    W  m 2 , (Rovnice 1)   kde I0 je sluneční konstanta (obvykle I0 = 1367 W∙m-2), Z – součinitel znečištění atmosféry, ε – součinitel závislý na výšce slunce nad obzorem a na nadmořské výšce daného místa Součinitel ε pro průměrnou nadmořskou výšku území našeho státu H = 300 m [1]:   4,831 82 sin h  (0,003  sin 2 h) 0,5  0,910 18 , (Rovnice 2) kde h je výška slunce nad obzorem. Intenzita přímého slunečního záření na obecně položenou plochu, jejíž poloha je určena azimutem as a úhlem sklonu α (Obrázek 1), je dána vztahem: [1] I P  I Pn cos  (W  m 2 ) , (Rovnice 3) kde γ je úhel dopadu paprsků na osluněnou plochu.









8

a – azimut slunce; as – azimut osluněné plochy; α – sklon plochy od vodorovné roviny; h – výška slunce nad obzorem; γ – úhel dopadu slunečních paprsků Obrázek 1: Geometrie slunečního svitu [1] Po vstupu do zemské atmosféry může být elektromagnetické záření částečně absorbováno, rozptýleno, odraženo a znovu vyzářeno. Záření, které se v atmosféře rozptýlí, proniká k povrchu Země jako difúzní záření. Na osluněnou plochu také dopadá část přímého záření, která se odrazí od okolních ploch; také toto záření se počítá k záření difúznímu. Intenzitu difúzního záření lze přibližně vypočítat pomocí [1]: I D  0,5( 1  cos α)  I Dh  0,5 r ( 1  cos )  (I Ph  I Dh ) (W  m 2 ) , (Rovnice 4) kde α je úhel sklonu osluněné plochy od vodorovné roviny, r – reflexní schopnost okolních ploch pro sluneční paprsky, tzv. albedo (r = 0,15 – 0,25), IPh – intenzita přímého slunečního záření na vodorovnou plochu, IDh – intenzita difúzního slunečního záření na vodorovnou plochu. Pro intenzity záření IPh a IDh z Rovnice 4 platí vztahy[1]:

I Ph  I Pn sin h ,

I Dh  0,33( I 0  I Pn ) sin h .

(Rovnice 5) (Rovnice 6)

V České republice se průměrný počet hodin solárního svitu (bez oblačnosti) pohybuje od 1 400 do 1 700 h/rok, což odpovídá intenzitě 900 – 1 200 kWh/m2·rok. Průměrný počet hodin sluneční ho svitu v Evropě můžeme vidět v Tabulka 1. Při návrhu realizace solárního systému je třeba vzít v úvahu údaje o oblačnosti a znečištění atmosféry [2]. 9

Obrázek 2: Roční průměrný úhrn globálního záření [MJ/m2] Zdroj: ČHMÚ

Tabulka 1: Průměrný počet hodin slunečního svitu v Evropě [3] Počet hodin Město Stát slunečního svitu (h/rok) Lisabon Řím Istanbul Ženeva Paříž Varšava Berlín Stockholm Londýn Brusel Oslo

Portugalsko Itálie Turecko Švýcarsko Francie Polsko Německo Švédsko Velká Británie Belgie Norsko

1 860 1 687 1 454 1 394 1 265 1 159 1 146 1 137 1 131 1 084 1 015

10

Obrázek 3: Roční průměrný úhrn globálního záření [3] 3.1.2. Možnosti využití sluneční energie Tok energie ze Slunce mimo zemskou atmosféru tvoří asi 1360 W∙m-2, což je tzv. solární konstanta. Při průchodu zemskou atmosférou je část záření absorbována, rozptylována, reflektována a emitována. I po průchodu atmosférou se pohybuje intenzita záření za jasných dnů v rozmezí 600 – 1000 W∙m-2. [4] Nejčastěji se sluneční energie využívá k přeměně na energii elektrickou nebo k přímé výrobě tepla, např. na ohřev užitkové vody v domácnostech či v bazénech. Takto získanou energii lze také použít jak k teplovodnímu či teplovzdušnému přitápění budov, tak k jejich chlazení. Možnosti využití sluneční energie můžeme rozdělit na aktivní a pasivní způsoby. Pasivní a aktivní způsoby využití se samozřejmě mohou vzájemně doplňovat, což se používá zejména při budování nízkoenergetických domů.

11

Obrázek 4:Schéma možností využití solární energie[2] 3.1.2.1. Pasivní využití sluneční energie Domy se stavěly a staví i dnes tak, aby byly schopny využít co nejvíce sluneční energie bez speciálních technických zařízení. Vhodným využitím prvků solární architektury se dá ušetřit až 5 – 15 % energie využívané k vytápění budov. [5] Pasivní solární zisky jsou maximalizovány vhodnou polohou, orientací a tvarem domu, osazením jižních stran domů vhodnými okny. 3.1.2.2. Aktivní využití sluneční energie Různé technické systémy, které přeměňují sluneční energii na jinou formu energie, nám slouží k aktivnímu získávání solární energie. K tomuto účelu se využívají dva typy soustav. Prvním typem je soustava se slunečními kolektory, nazývaná také solární termická soustava, která zachycuje tepelnou složku slunečního záření. Druhým typem je soustava fotovoltaická. Díky fotovoltaické soustavě lze sluneční energii přeměnit na energii elektrickou.

3.2. Solární termický systém Solární systém se skládá ze tří hlavních částí:  Solární kolektor  Akumulační nádrž  Solární okruh – systém přenosu tepla Solární systém je možno instalovat dodatečně do již stávajících budov.[5] S výhodou se instalují při výměně ohřívače vody nebo celého otopného systému. Montáž kolektorů na střechu je jednoduchá. Je však nutno uvažovat prostory pro tepelný zásobník a vedení solárního okruhu. [5] Ne vždy jsou však podmínky instalaci do stávajících budov příznivě nakloněny. Nevhodná orientace budovy vůči světovým stranám, stínění okolních budov či stromů jsou faktory, díky kterým je nemožné instalaci solárního sytému provést. Dalším 12

omezujícím faktorem může být nedostatek prostoru na střeše pro montáž kolektoru či bydlení v panelovém domě. Střecha domu by měla mít dostatečnou nosnost, pokud tomu tak není, je možné využít i štítovou plochu, střechu garáže, přístavku i pergoly. Rozložení spotřeby tepla pokud možno pokrývá roční průběh slunečního svitu, to znamená, že jsou pro tyto instalace vhodnější bytové a rodinné domy, např. školy jsou více problematické, protože v době nejvyšších hodnot slunečního záření jsou nevyužívané, protože děti mají prázdniny.

Obrázek 5: Schéma tepelného solárního systému pro ohřev TUV a přitápění 3.2.1. Solární kolektor Solární kolektor je zařízení, které absorbuje tepelnou složku slunečního záření. Toto teplo je následně přenášeno teplonosným médiem do místa spotřeby anebo se uchovává v tepelném zásobníku. Důležitým prvkem kolektoru je absorbér. V absorbéru, nebo na něm jsou připevněny trubky, kterými protéká teplonosné médium. Aby teplonosné médium toto teplo z absorbéru dobře odvádělo, musí absorbér i trubky vykazovat dobrou tepelnou vodivost. [5] Absorbér je vestavěn do skříně, ze všech stran uzavřené (omezení konvekce), po stranách a na zadní straně dobře tepelně izolované (omezení tepla vedením a vyzařováním), na sluneční straně kryté transparentním krytem (nejčastěji sklem). Transparentní kryt musí sluneční záření dobře propouštět dovnitř, ale tepelné vyzařování absorbéru možná co nejlépe zadržovat (skleníkový efekt). [5] Solární kolektory také mohou mít spektrálně selektivní vrstvu, což je speciální černá barva nebo galvanické pokovování. Tato vrstva způsobuje, že kolektory mají vyšší účinnost a lépe zpracují i difúzní záření. [2] Kolektory můžeme rozdělit podle charakteru teplonosného média na kapalinové a vzduchové. Vzduchové kolektory se využívají zejména k přímému vytápění budov. Dále lze kolektory definovat jako ploché nebo trubicové. Plochý kolektor je vyobrazen na Obrázek 6. U plochých kolektorů za zhoršených podmínek, tedy při větším rozdílu teplot v kolektorech a okolí dochází k značnému poklesu účinnosti. [6] Trubicový kolektor, který je 13

zobrazen na Obrázek 7, má absorbér zataven ve vakuové trubici, což snižuje tepelné ztráty a zvyšuje účinnost při vyšších výstupních teplotách. Vakuum je samozřejmě možné použít i u plochých kolektorů. Vakuově izolované absorbéry pracují i v mrazivých dnech uspokojivě. Vakuově izolované systémy nemají samorozmrazovací schopnosti, proto je nutné z nich odmetat sníh ručně. Dále existují také koncentrační kolektory, které jsou sestaveny tak, že záření je koncentrováno čelní nebo odrazovou plochou na menší absorpční plochu, čímž se dosáhne větších teplot. Toto zařízení je sestaveno tak, aby se kolektor natáčel za sluncem. [2] Koncentrační kolektory nachází uplatnění jako průmyslové zdroje horké vody. Pro domácnosti je provoz příliš náročný, stejně tak jako pořizovací investice.

Obrázek 6: Plochý kolektor

14

Obrázek 7: Trubicový kolektor 3.2.1.1. Umístění solárního kolektoru Příjem zářivé energie je dán závislostí na světových stranách a na sklonu kolektoru. Proto je vhodné věnovat výběru místa pro umístění kolektoru náležitou pozornost. Největší výtěžky mohou být docíleny, sleduje-li kolektor sluneční dráhu, u koncentrujících kolektorů je to dokonce nutné. [4] Koncentrující kolektory vyžadují speciální konstrukci a montáž na střechu rodinného domu je téměř nemožná. Zásady při umisťování kolektorů: [2, 4]  Aktivní strana kolektoru by měla být obrácena k jihu. Maximální přípustná odchylka je 45 st. ve směru na východ či západ.  Doporučený sklon 20° – 90°. Nejefektivnější sklon pro celoroční provoz kolektoru je 40°. V létě by byl vhodný sklon kolektoru 30 ° od vodorovné roviny, v zimě kolem 60 °. Obvykle se jako kompromis volí sklon v rozmezí 35 °- 45 °.  Umístit solární kolektor takovým způsobem, aby vznikla co nejkratší dráha vedení směrem k tepelnému zásobníku, kotelně apod.  Nemělo by dojít k zastínění (např. stromy, okolními budovami apod.) Orientace zařízení je ideální na jih, případně s mírným odklonem do 45°, jihozápadní směr je výhodnější než jihovýchodní. Je to proto, že maximum výkonu nastává kolem 14. hodiny,

15

v tuto dobu jsou nejvyšší denní teploty a nejnižší tepelné ztráty kolektorů. Co se týče automatického natáčení kolektorů za sluncem, je to neekonomické. [2] 3.2.2. Akumulační nádrž U solárních soustav je požadavek na akumulaci dán nestálým přísunem sluneční energie. Akumulační nádrž přejímá od kolektoru přebytečnou energii, kterou musí uchovat pro pokrytí nepravidelné potřeby tepla během dne a během roku.[7] Uvnitř nádrže je umístěn solární výměník tepla, jehož teplosměnná plocha zprostředkovává přenos tepla mezi kolektory a zásobníkem. Nad solárním výměníkem tepla bývá umístěn tepelný výměník dohřívání či elektrické otopné těleso. Solární okruh je tak oddělen od okruhu spotřeby. Kapacita nádrže, resp. jeho potřebný objem se řídí denní spotřebou vody. [4] Objem nádrže a plocha kolektorů musí být v odpovídajícím poměru, aby i v létě nádrž akumulovala zachycenou energii a nedošlo k poškození systému. Z hygienických důvodů je nutné obsah zásobníku zahřát na 72 °C alespoň jedenkrát týdně. [2] Z hlediska fyzikálních vlastností se u akumulačních nádrží sleduje hustota a účinnost akumulace. Hustotou akumulace se rozumí množství tepla, které je nádrž schopna akumulovat v objemu 1 m3. Preferuje se co nejvyšší hustota akumulace, neboť z ní vyplývá malý objem v prostoru zastavěný nádrží. Účinnost akumulace je poměr mezi využitelnou energií odebranou z akumulační nádrže a dodanou energií. [7] Pro správnou funkci akumulační nádrže je nutné vytvořit správné vrstvení objemu podle teploty a také toto vrstvení udržet. Teplotní vrstvení (stratifikace) je ovlivňováno především způsobem přívodu a odběru pracovní látky nádrže. [7]

Obrázek 8:Rozdíl mezi stratifikovanou a promíchanou akumulační nádrží[8]

3.2.3. Solární okruh Solární okruh spojuje jednotlivé části systému a zprostředkovává přenos tepla přijatého kolektorem, které pomocí teplonosného média přenáší do tepelného zásobníku nebo do místa přímé spotřeby. Solární okruh by měl být konstruován s co nejkratší délkou potrubí, aby nedocházelo k nadbytečným ztrátám, s kvalitní izolací. [2]

16

K systému přenosu tepla je třeba celá řada komponent:  Tepelný výměník  Teplonosné médium  Potrubí  Čerpadlo  Regulační a řídící zařízení  Armatury  Pojistná zařízení 3.2.4. Teplonosné médium Pro přenos tepla v solárních soustavách z místa zdroje (kolektorů) do místa spotřeby (zpravidla akumulační nádrž) se využívá různých teplonosných látek, nejčastěji vzduchu (vzduchové solární soustavy) nebo kapaliny (kapalinové solární soustavy). Při celoročním provozu kapalinových solárních soustav je nutné zejména v zimním období chránit soustavu před poškozením mrazem. Tato ochrana se provádí použitím nemrznoucí směsi. Ve většině solárních soustav se jedná o směsi vody a propylenglykolu obsahující také inhibitory koroze.[2] V současné době jsou k dispozici jednak klasicky inhibitované směsi pro použití v plochých kolektorech (stagnační teploty pod 180 °C) a jednak pokročilé směsi s kapalnými inhibitory umožňující použití v trubkových vakuových kolektorech (stagnační teploty do 250 °C). Přehled používaných nemrznoucích směsí uvádí Tabulka 2. Tabulka 2:Vybrané teplonosné kapaliny na bázi vodní směsi propylenglykolu [9] Teplonosná látka Výrobce Tt (°C) Solaren EKO Velvana, a.s. -31 Kolektor P Super Agrimex, s.r.o., Třebíč -30 Tyfocor L Tyforop Chemie, GmbH -50 Tyfocor LS Tyforop Chemie, GmbH -28 Antifrogen SOL Gerling, Holz & CO Handels, GmbH -34 Teplonosná látka musí splňovat řadu kritérií:  nízký bod tuhnutí (-25) – (-30) °C  vhodné fyzikální vlastnosti (viskozita, tepelná kapacita) co nejvíce podobné vodě  nehořlavost  ochrana proti korozi  snášenlivost s těsnícími materiály  netoxická, biologicky rozložitelná  chemická stabilita  cenová dostupnost 3.2.5. Pojistná zařízení V solárním okruhu se dále nachází expanzní nádoba, která vyrovnává objemové změny teplonosné kapaliny. Ty probíhají v důsledku tepelné roztažnosti kapalin. Zabraňuje se tak poškození systému a nežádoucímu úniku teplonosné kapaliny přes pojistný ventil. [7] 17

V soustavách s uzavřeným cirkulačním okruhem se nejvíce využívá tlakové expanzní nádoby s membránou, která odděluje kapalinu a plynový polštář. Membrána musí být stejně jako ostatní součásti odolná vůči působení glykolu v nemrznoucích směsích. Pojistný ventil nebo také přetlakový ventil se při překročení jistého tlaku automaticky otevře a nechá odtéct část média v okruhu, díky tomu nedojde k poškození či k případnému prasknutí systému. Obvyklé hodnoty otevíracího tlaku bývají v rozmezí 2,5 – 6 bar.[4] Od pojistného ventilu by měl být veden odtok do otevřené záchytné nádrže. V potrubí mezi solárními kolektory a pojistným ventilem nesmí být zařazeny žádné uzavírací prvky. Dimenzování expanzní nádoby a pojistného ventilu se provádí dle celkové koncepce systému. 3.2.6. Možnosti využití solárního termického systému Solární systémy nacházejí využití především v následujících oblastech [4]:  Ohřev vody v bazénech  Příprava TUV  Solární vytápění – vodní a vzduchové  Solární chlazení Důležité je zmínit možnosti využití TUV v domácnosti. Vedle běžného užívání ke sprchování a ručnímu mytí nádobí ji lze využít pro použití v domácích spotřebičích, jako je praní v pračce, mytí nádobí v myčce nebo sušení prádla. Mimo tyto nejvíce využívané možnosti lze teplo ze solární soustavy využít například k vaření, sušení (potravin nebo sena) nebo destilaci (odsolování mořské vody). 3.2.7. Způsoby provozu solárních soustav Jsou využívány dva koncepty soustav podle způsobu oběhu teplonosné kapaliny – systémy se samotížným oběhem a systémy s nuceným oběhem. Solární systém se samotížným oběhem je navržen tak, že k oběhu teplonosné kapaliny je využito gravitační síly mezi kolektorem a zásobníkem. Změnou teploty kapaliny se mění i její objem, to má za následek změnu její hustoty. Proudění kapaliny v systému je zajištěno rozdílem hustot kapaliny v kolektoru a v tepelném zásobníku. K zajištění funkčnosti tohoto konceptu je nutné umístit zásobník výš než kolektory. Teplá kapalina s nižší hustotou pak stoupá do zásobníku, kde se ochlazuje. Ochlazené médium klesá ke dnu zásobníku a odtud putuje zpět do kolektoru. Teplá voda je ze zásobníku odebírána samospádem. Výhodou tohoto systému je, že ke své funkčnosti nepotřebuje hnací jednotku a tím pádem ani jednotku řídící. Na druhou stranu má toto zařízení ztíženou regulaci průtoku teplonosné kapaliny, a tím i horší účinnost. Také úplně vždy není možné umístit akumulační nádrž nad kolektory. Pořizovací náklady zařízení jsou nižší, předností tak může být jednoduchost a nezávislost na vnějším zdroji energie. Zařízení je využíváno především u malých systémů pro sezónní ohřev. Většina moderních kolektorů tento princip nevyužívá. [2] Naproti tomu u solárních systémů s nuceným oběhem je zapojeno oběhové čerpadlo, které uvádí teplonosné médium do cirkulace. Výhodou je zde tedy přesná regulace průtoku, což zvyšuje účinnost přenosu tepla. Vlivem hydraulických ztrát dochází ke zmenšení průtoku, tento problém lze vyřešit změnou otáček čerpadla. Zapojení oběhového čerpadla a řídící jednotky zvyšuje pořizovací náklady systém. Za nevýhodu lze považovat závislost na vnějším zdroji energie, což jednak snižuje spolehlivost systému a také může nepatrně zvýšit náklady na spotřebu energie. [2, 4] Zvýšení spotřeby energie je však údaj individuální a toto posouzení závisí na celkové spotřebě energie v domácnosti. 18

Podle počtu okruhů můžeme solární systémy dělit na jednookruhové a dvoukruhové. Jednookruhové systémy ohřívají vodu přímo, takže součástí tepelného zásobníku není výměník tepla. Systém tak dosahuje vysoké účinnosti přenosu tepla, což je výhodou. Dalšími výhodami jsou menší náklady na pořízení a jednoduchost. Tyto jednoduché systémy jsou využívány pouze pro sezónní provoz. Důvodem je možnost zamrznutí vody při nízkých teplotách, čímž by došlo k poškození systémy. Dalšími nevýhodami jsou značné riziko množení bakterií a řas, zanesení (inkrustace) či koroze systému. [2, 4] Koroze systému nehrozí u sezónních systémů, jejich části jsou kompletně plastové. Dvouokruhové solární systémy se používají pro celoroční provoz. Primárním (kolektorovým) okruhem proudí nemrznoucí teplonosné médium od kolektorů do tepelného výměníku. Druhý okruh vede kapalinu od výměníku do místa spotřeby. Oba okruhy jsou na sobě nezávislé. Tlakové oddělení okruhů umožňuje velkou variabilitu zapojení s různými průtoky médií. Nevýhodami jsou vyšší pořizovací náklady a celkově vyšší složitost systému. [6] Velkou výhodou je, jak již bylo zmíněno, celoroční provoz, což z dvouokruhového systému činí nejpoužívanější systém.

3.3. Fotovoltaické systémy Fotovoltaické neboli solární články je možné využívat díky fotoelektrickému jevu. Energie slunečního záření se v solárních článcích přeměňuje na energii elektrickou a využití tohoto jevu je možné jak pro malé instalace, tak i pro větší zařízení. Výroba energie z fotovoltaických článků je sice závislá na denní době, ročním období, oblačnosti v dané lokalitě, avšak jejich energetický potenciál je opravdu velký. [10] 3.3.1. Solární článek Základní stavební prvek fotovoltaického systému je solární článek. Jedná se o velkoplošnou polovodičovou součástku, obsahující alespoň jeden PN přechod. Fotovoltaický článek se skládá z tenké destičky monokrystalu či polykrystalu křemíku obsahující příměsi. Destička je z jedné strany pokryta vrstvou polovodiče typu P – prvek s nižším počtem valenčních elektronů (např. bor). Z druhé strany je destička pokryta vrstvou polovodiče typu N – prvek s vyšším počtem valenčních elektronů (např. fosfor) Na obou stranách destičky jsou připojeny elektrody, které odvádějí vznikající stejnosměrný elektrický proud. PN přechod funguje na takovém principu, že na rozhraní materiálů P a N dojde k přechodu části elektronů z vrstvy, kde je jich více, do vrstvy, kde je jich méně a vznikne vrstva s elektrickým polem vysoké intenzity. [10, 11]

19

Obrázek 9: Princip fotovoltaického článku Díky poli se dají do pohybu volné nosiče náboje vznikající absorpcí světla. Vzniklý elektrický proud, který je odváděn elektrodami. Solární článek je ozářen a fotony generují elektricky nabité částice (pár elektron – díra). Vnitřním elektrickým polem PN přechodu jsou některé elektrony a díry separovány. Toto rozdělení náboje způsobuje napěťový rozdíl mezi předním (-) a zadním (+) kontaktem solárního článku. Pokud je mezi oba kontakty připojena zátěž (elektrospotřebič), protéká stejnosměrný proud přímo úměrný ploše solárních článků a intenzity dopadajícího záření. [10] Existuje mnoho typů fotovoltaických článků. Nejstarším typem jsou články monokrystalické. Dnes jsou nejběžněji využívaným typem články polykrystalické, jejichž výroba je jednodušší a tím i levnější oproti monokrystalickým. Články monokrystalické jsou připravovány ve formě tenkých pásků a jejich krystaly jsou v řádu 10 cm. U polykrystalických článků mají krystaly velikost 1 – 100 mm a účinnost těchto článků je nižší než u článků monokrystalických. Existují také články tenkovrstvé z amorfního křemíku obsahující určité množství vodíku. Tyto články jsou však méně stabilní. Další typy článků již nejsou výrazně využívané. Jsou to např. články CIS (CuInSe), články z telluridu kademnatého, či galiumarsenidu. [10, 11] Energetická účinnost přeměny slunečního záření na elektřinu ve fotovoltaických článcích je 14 – 16 % a celková využitelnost systému se pohybuje okolo 7 – 11 %. Články z krystalického křemíku – monokrystalické mají účinnost kolem 16 - 19 %. U polykrystalických článků je účinnost menší – okolo 14 %. Tenkovrstvé solární články z amorfního křemíku se s účinností pohybují kolem 7 %. Články jsou závislé na okamžitém slunečním záření, a tudíž se jejich výkon udává jako „špičkový“ (Wp) při záření s intenzitou 1 000 W∙m-2. [10, 12] 3.3.2. Fotovoltaické panely Sériovým nebo paralelním elektrickým propojením solárních článků vzniká po jejich zapouzdření solární (fotovoltaický) panel. Sério-paralelní zapojení je takové, aby bylo dosaženo potřebného napětí a proudu pro přímé využití generované elektrické energie. Panel musí být hermeticky zapouzdřen a musí být dostatečně mechanicky a klimaticky odolný. Nejčastěji se na horní stranu panelu dává kalené sklo, které v kombinaci s pevným hliníkovým rámem zajistí mechanickou pevnost a odolnost. [10] Moderní články mají antireflexní vrstvu, která snižuje ztrátu světla odrazem, a zvedne tak účinnost o několik 20

procent.[10] Solární panely se instalují zpravidla na jižní (nebo jihovýchodní až jihozápadní) stran střechy nebo fasády, případně na volné plochy i na technické stavby, např. protihlukové bariéry. [2] 3.3.3. Fotovoltaický systém a jeho prvky Solární panel potřebuje ke svému chodu ještě další podpůrné prvky a elektrické spotřebiče. Mohou to být např. akumulátorová baterie, regulátor nabíjení, indikační, zobrazovací, komunikační a měřicí přístroje, nebo také automatické sledovače Slunce. Solární panely spolu s dalšími podpůrnými zařízeními se nazývají fotovoltaický systém. [2] Které komponenty musí určitý fotovoltaický systém obsahovat, záleží na účelu, ke kterým má systém sloužit. Tato zařízení mají vliv na výslednou energetickou bilanci a pochopitelně taky na cenu systému. Patří sem:  akumulátorové baterie  inventory, transformátory, měniče  odpojovače zátěže  pojistná zařízení  měřící zařízení  náhradní zdroje 3.3.3.1. Invertor Fotovoltaické systémy obsahují napěťový střídač neboli invertor. Panely produkují stejnosměrný proud a určité napětí. Měnič má za úkol vytvořit takový proud a napětí, díky kterým bude možné připojit běžné spotřebiče. Stejnosměrný proud ve střídači je převáděn na střídavý proud a je vytvářeno napětí zpravidla 230 V. Dalšími funkcemi střídače jsou monitorování a regulace napájení sítě. Pokud dojde k poruše v přenosové soustavě, střídač automaticky odpojí solární generátor od sítě. [10] 3.3.3.2. Akumulátorová baterie Akumulátorové baterie skladují elektrickou energii na dobu, kdy již není dostačující sluneční svit. Jsou nezbytnou součástí většiny systémů typu off-grid. Současně je nutné při použití akumulátory do systému zapojit regulátor nabíjení. Pro fotovoltaické systémy jsou na trhu nabízeny trakční akumulátorové baterie. Svými vlastnostmi se výrazně se liší od baterie startovací, která proto tyto účely využití ve fotovoltaickém systému není vhodná. Ideální akumulátorová baterie pro fotovoltaické systémy by měla splňovat následující požadavky: • minimální samovybíjení • pracuje s dobrou účinností při malých nabíjecích proudech • výdrž velkého počtu cyklů (zpravidla 2 000) • možnost hlubokého vybití • vyžaduje minimální a jednoduchou údržbu • dlouhá životnost • minimální snížení nabíjecích a vybíjecích vlastností při nízkých teplotách

21

Pro použití ve fotovoltaických systémech jsou nejvíce rozšířeny baterie olověné, pro speciální aplikace jsou vhodné články nebo monobloky nikl-kadmiové (NiCd), případně niklželezné (NiFe) a v případě aplikací s malým výkonem se nabízí články nebo baterie typu Pb, NiCd, NiMH, Ion-lithiové články a nově alkalické nabíjecí články. 3.3.4. Typy fotovoltaických systémů Pro systémy, které jsou nezávislé na rozvodné síti, můžeme najít hned několik názvů. Často se nazývají ostrovní systémy, autonomní systémy neboli off-grid. Používají se například tam, kde náklady na vybudování a provoz přípojky jsou vyšší než náklady na fotovoltaický systém a kde je vzdálenost k rozvodné síti více než 500 – 1000 m (v tomto případě mohou být náklady na vybudování přípojky srovnatelné s náklady na vybudování fotovoltaického systému). [11] Tyto případy je vždy nutné posuzovat individuálně. U autonomních systémů je kladen důraz na minimální ztráty energie a na používání energeticky úsporných spotřebičů. [2] Ostrovní systémy se rozdělují na systémy s přímým napájením, s akumulací elektrické energie a hybridní ostrovní systémy. Systémy s přímým napájením je možné použít v místech, kde není problém, že elektrická energie je vyráběna a k dispozici pouze v době svitu. Jde o propojení solárního panelu a spotřebiče. Příkladem je čerpání vody pro závlahu, napájení oběhového čerpadla solárního systému pro ohřev teplé vody, pohon protislunečních clon nebo nabíjení akumulátorů malých přístrojů jako mobilní telefon, notebook nebo svítilna. [2, 10]

Obrázek 10: Schéma grid-off systému s přímým napájením [13]

22

3.3.4.1. Pokud není doba, po kterou je k dispozici energie ze solárních panelů, totožná s dobou, kdy nastává největší spotřeba, využíváme systém s akumulací energie. O tomto typu bylo již pojednáno v kapitole 3.3.3.2 Akumulátorová baterie Schéma systému s akumulací energie je uvedeno na Obrázek 11. Hybridní systémy jsou využívány pro celoroční provoz. Tyto systémy musí být navrženy pro letní i zimní provoz současně, což je velmi obtížné. V zimních měsících není možné získat z fotovoltaického zdroje tolik elektrické energie jako v letních měsících. Proto je nutné tyto systémy navrhovat na zimní provoz, což má za následek zvýšení potřeby výkonu panelů a tím i podstatné zvýšení pořizovacích nákladů. Výhodnější alternativou je rozšíření systému doplňkovým zdrojem elektřiny. Ten kryje potřebu elektrické energie v obdobích s nedostatečným slunečním svitem. Schéma hybridního systému uvádí Obrázek 12.

Obrázek 11: Schéma grid-off systému s akumulací elektrické energie [13]

23

Obrázek 12: Schéma hybridního off-grid systému [13]

Dalším typem jsou fotovoltaické systémy připojené k distribuční síti tzv. on-grid systémy. Důvodem pro pořízení fotovoltaické elektrárny jsou úspory potažmo i zisk, který může z takové investice plynout.[13] Může se jednat o menší systémy připojené na síť budovány na rodinných domech nebo na průmyslových objektech, jejichž výkon se pohybuje zpravidla v řádech jednotek až desítek kWp nebo o tzv. solární parky – velké systémy o výkonech v řádech desítek kWp až stovek MWp. [11] Systém připojený na síť obsahuje fotovoltaické panely připojené na napěťový měnič pro přeměnu stejnosměrného proudu na proud střídavý a zvláštní elektroměr pro odpočet energie vyrobené fotovoltaikou. Celý tento okruh je připojen na samostatný jistič a přepěťovou ochranu do rozvaděče v daném objektu.[13] Moderní síťové měniče renomovaných výrobců se samy automaticky zfázují se sítí a při poklesu napětí v síti se z bezpečnostních důvodů automaticky odpojí, aby do odstavené sítě nedodávaly elektrické napětí a proud. [14] Solární systém je připojen za hlavní elektroměr z pohledu distribuční společnosti. Je tedy možné dodávat energii spotřebičům v objektu a tím šetřit náklady na odebranou elektřinu. Nebo ji v případě přebytků přes hlavní čtyřkvadrantní elektroměr předáme automaticky do sítě. V obou případech je za vyrobenou elektřinu inkasován tzv. zelený bonus, v případě prodeje přebytků do sítě. [13] Pokud nedostačuje vlastní solární zdroj k pokrytí spotřeby v budově, je elektrická energie odebírána přes elektroměr z rozvodné sítě. Systém funguje zcela automaticky. Připojení k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodů. [10]

24

Obrázek 13: Systém pro vlastní spotřebu a prodej přebytků do sítě (On-grid systém)[13]

3.4. Kombinovaný solární systém [15] Pod pojmem kombinovaný solární systém si lze představit kombinaci termického solárního systému a fotovoltaických solárních článků. Způsobů kombinace těchto dvou systémů je několik.  Termický solární systém a fotovoltaický systém s dodávkami do sítě  Termický solární systém a fotovoltaický systém pro domácí spotřebu  Termický solární systém a fotovoltaický panel jako pomocný prvek První provedení počítá s plným pokrytím spotřeby elektrické a tepelné energie v domácnosti a přebytky elektrické energie jsou dodávány do sítě. Současně je toto provedení nejnáročnější na pořizovací náklady a instalaci. Při instalaci na již stojící rodinný dům je třeba počítat i se zásahem do elektroinstalace domu a nákupem komponent (střídač napětí), které dovolí dodávat bezpečně elektrickou energii do rozvodné sítě. Druhé provedení počítá pouze s domácí spotřebou elektrické energie a plným pokrytím požadavků na elektrickou energii termického solárního systému. Lze jej řešit několika způsoby. Fotovoltaický systém je instalován jako primární zdroj elektrické energie a ze sítě je dodávána elektrická energie pouze v případě nedostatku energie z panelů. Další možností je mít oddělené systémy, tedy dvojí elektroinstalaci. Toto zapojení se však v praxi kvůli složitějšímu zapojení příliš nepoužívá. Ačkoliv ve druhém případě odpadá komplikace napojení na veřejnou elektrickou síť, i v tomto případě je třeba osadit poměrně velkou plochu fotovoltaickými panely a pořídit komponenty pro úpravu napětí, abychom mohli s elektřinou zacházet, jak jsme zvyklí. Nejzajímavější kombinace z hlediska náročnosti na pořizovací náklady a instalaci je poslední možnost. 25

3.5. Spotřeba energie v domácnosti V domácnosti každého z nás nalezneme spoustu zařízení, která dennodenně využíváme, ale v podstatě nemáme žádný přehled o tom, jak velký podíl na celkové spotřebě představuje jejich provoz. Správný výběr a užívání spotřebiče vede k úspoře finančních nákladů. I nový spotřebič může totiž při špatném používání zvýšit spotřebu elektřiny. [16] Průměrná roční spotřeba české domácnosti činí 2 500 kWh. To zhruba odpovídá množství elektřiny dodané do bytu, kde žijí 2-3 osoby, používají běžné elektrické spotřebiče, avšak nevyužívají elektrický ohřev vody. [17]

Obrázek 14: Rozložení spotřeby elektrické energie v domácnostech [16]

3.6. Spotřebiče v systému solárních technologií 3.6.1. Spotřebiče v systému termických soustav Malé domácí spotřebiče (zejména pračky a myčky) běžně používané v domácnosti využívají obvykle k mytí a praní studenou vodu, která je následně ohřáta odporovým tělesem spotřebiče na požadovanou teplotu zvoleného pracího či mycího programu. K ohřevu vody na požadovanou teplotu tak slouží elektrická energie. [18] Spotřebu elektrické energie pro cyklus praní či mytí lze snížit napojením na solární termický systém popřípadě rozvod teplé vody. Zejména v letních měsících lze elektrický ohřev vody díky hojnosti slunečního záření téměř vyloučit. [19]

26

Zde je uveden výčet spotřebičů, které je možné využít v systému solárních technologií:  pračky  myčky  sušičky  klimatizační zařízení 3.6.1.1. Možnosti zapojení spotřebičů k okruhu spotřeby solárního systému Velká část (70 – 90%) elektrické energie spotřebované pračkou je využito k ohřevu vody, prádla a samostatného těla pračky. [18] Část spotřebované elektrické energie může být nahrazena, tak že pračku budeme plnit solárně ohřátou vodou. K solárnímu systému popřípadě rozvodu teplé vody může být také (vhodnou hadicí pro teploty do 60 °C) přímo připojena i myčka. Připojením domácích spotřebičů na teplou vodu ze solárního termického systému se předpokládá také zvýšení účinnosti solárního zařízení. [20] Pravidelným odběrem teplé vody zajistíme dostatečný teplotní rozdíl mezi solárním okruhem a zásobníkem solárně ohřáté teplé vody, tím zamezíme stagnaci systému a zajistíme lepší účinnost solárního systému. [19] Možností zapojení pračky do okruhu spotřeby solárního systému je více. U prvního způsobu připojení je pračka přímo plněna teplou vodou z tepelného zásobníku nebo z dálkového vytápění. Taková pračka musí mít dva vstupy na vodu – vstup na vodu teplou a vstup na vodu studenou. Automatické pračky se dvěma vstupy si automaticky regulují vstup studené a teplé vody, což umožňuje jejich ekonomicky nejúspornější provoz. Instalace pračky se dvěma vstupy k solárnímu systému je nejsnazší a nevyžaduje žádné speciální vybavení. Zegers a Molenbroek ve své práci [21] uvádí potřebnou teplotu vstupní vody vyšší než 50 °C. V druhém způsobu zapojení pračky je do pračky přiváděna studená voda z vodovodní sítě (stejně jako je tomu u běžného zapojení pračky), ta je následně ohřívána teplem přes tepelný výměník zabudovaný do těla pračky, který je napojen na solární systém. Koncept zapojení teplé vody přes tepelný výměník (trubka v trubce) zabudovaný v pračce využívá k zapojení dvě trubky.[18, 21] Instalace tohoto typu zapojení je složitější a vyžaduje přímý zásah do těla pračky. Toto zapojení sebou nese výhodu možnosti připojení nejen k solárnímu systému, ale například i k dálkovému vytápění nebo teplenému čerpadlu.[20] Tento typ vykazuje vyšší úspory elektrické energie než zapojení s přímým plněním teplou vodou, ale je náročnější z hlediska počáteční investice.[18, 22]

27

Obrázek 15: Pračka s tepelným výměníkem [21] Dnes jsou nejvíce rozšířené pračky, které mají připojení pouze na studenou vodu. Pokud nechceme provádět zásahy do těla pračky, existuje ještě jedna možnost zapojení. U takových spotřebičů je k zapojení do okruhu spotřeby nezbytný předřadný přepínací přístroj, který v případě potřeby zvolí teplou vodu. [19]

Obrázek 16: Schéma pračky s přípojkou na teplou i studenou vodu a pračky s předřadným zařízením [18] Možnost zapojení myčky do okruhu spotřeby uvádí T. Persson ve své práci [18]. Jedná se o prototyp se zabudovaným výměníkem tepla. Princip je stejný jako u praček – teplo ze solárního systému je předáváno studené vodě z vodovodní sítě přes teplosměnou plochu 28

výměníku umístěného v těle spotřebiče. Mimo tento typ se zabudovaným výměníkem existuje možnost pořídit si myčku se dvěma vstupy vody – teplou a studenou. U sušiček existuje jediná možnost zapojení a to přes výměník tepla. Tento koncept uvádí ve své práci [21] Zegers a Molenbroek.

Obrázek 17: Susšička s tepelným výměníkem [21] 3.6.1.2. Pračky Důležitým parametrem domácích spotřebičů je jejich spotřeba energie. Pračka je spotřebič, který je v běžné domácnosti v provozu pravidelně několikrát týdně. Významně proto ovlivňuje celkovou spotřebu elektřiny v domácnosti. V případě pračky se k výdajům na spotřebu elektrické energie připojují i náklady na spotřebu vody. Kolik energie a vody pračka spotřebuje, ukazuje zařazení do kategorie energetické třídy od A +++ (nejúspornější) po E (nejméně úsporná). [23] Energetická třída je na spotřebiči viditelně označena energetickým štítkem – Obrázek 18. Moderní modely šetří výrazně energií zejména oproti starým spotřebičům. U praček hledejte energetickou třídu A+++, což je v současnosti nejvyšší energetická třída na trhu. Dále je vhodné vybírat pračky s třídou účinnosti odstřeďování A. Energetická náročnost praček se srovnává podle množství spotřebované energie (v kWh) a vody (v litrech) za rok - na základě 220 standardních pracích cyklů s programy bavlna 60 °C a 40 °C s celou a poloviční náplní a spotřeby v režimech s nízkou spotřebou energie. Skutečná spotřeba však závisí na způsobu používání pračky. Například snížením prací teploty z 90 °C na 60 °C a použitím účinnějších pracích prostředků lze ušetřit až 25 % energie. Energeticky nejúspornější pračky jsou vybaveny elektronickým systémem, který řídí průběh celého pracího cyklu (praní, máchání a odstřeďování), čímž dosáhne optimálních hodnot spotřeby energie, vody a pracích prostředků. Z hlediska ekonomického je populární také funkce časová předvolba. Kde je možnost nastavit praní na noční hodiny a využít tak snížených tarifů nočního proudu (v případě sníženého nočního tarifu). [24] Tato časová předvolba hraje významnou roli v případě připojení TUV ze solárního systému k pračce a to z důvodu toho, že největší intenzita slunečního svitu nastává v době, kdy většina pracujících obyvatel není doma. 29

Obrázek 18: Energetický štítek [23]

Větší poptávka je v dnešní době po pračkách pouze se vstupem na studenou vodu, proto pračky se dvěma vstupy nejsou na trhu tolik rozšířeny jako pračky s jedním vstupem. Následující Tabulka 3: Parametry pračky Miele W 5841 WPS Allwater [25]3 Tabulka 44Tabulka 55 udávají parametry praček se dvěma vstupy vody, které jsou dostupné na českém trhu. Uvedené typy mohou mít také přípojku pouze na vodu studenou. Při výběru je proto nutné se doptat na jednotlivé výrobky a jejich výrobkové kódy.

30

Tabulka 3: Parametry pračky Miele W 5841 WPS Allwater [25] Výrobce Miele Typ W 5841 WPS Allwater Energetická třída A+++ Účinnost pracího výkonu A Účinnost odstřeďování A Náplň prádla (kg) 1- 7 Otáčky (ot./min) 400 – 1600 Hodnoty spotřeby na běžný prací cyklus voda (l) 55 energie (kWh) 1,05 Rozměry (V x Š x H) (cm) 85 x 59,5 x 61,5 Cena (Kč) původní 39 990 miele outlet 29 000 Tabulka 4: Parametry pračky Candy EVO 1272 DHC [26] Výrobce Candy Typ EVO 1272 DHC Energetická třída A++ Účinnost pracího výkonu A Účinnost odstřeďování B Náplň prádla (kg) 7 Otáčky (ot./min) 1200 Hodnoty spotřeby na běžný prací cyklus voda (l) 55 energie (kWh) 1,05 Rozměry (V x Š x H) (cm) 89 x 60 x 52-60 Tabulka 5: Parametry pračky Whirlpool AWO/C 6204 [27] Výrobce Whirlpool Typ AWO/C 6204 Energetická třída A++ Účinnost pracího výkonu A Náplň prádla (kg) 6 Otáčky (ot./min) 1200 Hodnoty spotřeby na běžný prací cyklus voda (l) 49 energie (kWh) Rozměry (V x Š x H) (cm) 84,5 x 59,5 x 52

31

3.6.1.3. Proces praní Prací proces můžeme rozdělit na několik za sebou jdoucích kroků. Během jedné vsázky se několikrát napouští voda, prádlo se několikrát odstřeďuje, probíhá proces namáčení, ohřevu, máchání, sprchování a závěrečné odstřeďování. Při praní má buben otáčky asi 50 min–1, při odstřeďování až 1 600 min–1. Prací program je řízen různými typy regulátorů a bývá vybaven různými systémy pro úsporu vody a pracích prostředků. Úroveň hladiny je kontrolována tlakovým snímačem hladiny, tlakový spínač je spojen s vanou pračky trubicí s oddělovací vzduchovou tlakovou komorou. Stoupne-li hladina lázně, vzroste i tlak ve snímači hladiny a příslušný kontakt se rozpojí. Tlakový spínač je využit i jako ochrana před zapnutím topení, jestliže ve vaně není dostatečné množství vody. Všechny tyto informace se zároveň zpracovávají v mikroprocesoru, který celý program řídí. [28] Do bubnu pračky teče voda dovnitř k prádlu otvory, které jsou na bubnu. Důležité je, aby otvory byly hladké a nepoškozovaly tak prádlo. Voštinový buben – patent firmy Miele, je jiný. Stěna nerezového vnitřku má po celém obvodu voštinu připomínající prolisky s maličkými otvory v rozích. Tím se na vnitřním povrchu bubnu udržuje vodní film, který umožní rozvolňujícím se kusům prádla rovnoměrné a šetrné rozložení při odstřeďování tak, aby nedocházelo k vibracím následkem nevyváženosti náplně.[29]

Obrázek 19: Voštinový buben Pro zvýšení efektivity praní a mytí je důležité vědět chemické složení znečištění. Nejčastěji jsou na textiliích, nádobí apod. přítomny směsi tuků a bílkovin, ve kterých jsou zachyceny nejrůznější nečistoty (prach, tělní tuk, šupinky kůže, olej, zbytky potravy apod.). Tukové částice z textilií a jiných povrchů, nelze odstranit pouze vodou. Je to dáno tím, že tuk se s vodou nemísí, ani se ve vodě nerozpouští. Je tedy důležité použít vhodný prostředek. Detergenty (čistící látky) uvolňují ze špinavých materiálů částice nečistot a vytvoří tak stálou emulzi, díky níž nedojde k opětovnému usazování emulgovaných nečistot na povrchu. Nečistoty jsou obklopeny tenzidovou emulzí a odplaveny proudící vodou. Proto je po skončeném praní či mytí velmi důležité opláchnutí či vymáchání.

32

Změkčovače obsažené v pracích prostředcích šetří nejen mechanizmus pračky, ale mají také příznivý vliv na prádlo. Zabraňují vysrážení a usazování vodního kamene na prádle, který způsobuje šednutí a ztrátu jemnosti. Dále by měly mít schopnost na sebe vázat minerály, které jsou součástí skvrn a nečistot. 3.6.1.4. Ekonomické praní Zde uvedeme některé tipy, jak lze dosáhnout ekonomického praní [30]:  Používat nový model pračky – má nižší spotřebu oproti starým pračkám.  Prát pouze špinavé prádlo – mnohdy stačí prádlo vyvětrat či vyslunit a není nutno je tak často prát.  Plně využívat kapacitu pračky – pereme pokud prádlo naplní celý buben pračky.  Správně zvolit prací program – pro běžně znečištěné prádlo stačí prát při teplotě 40 °C až 60 °C. Praní při 90 °C používat jen výjimečně pro prádlo nemocných a kojenců. Optimální teplota pro praní funkčního prádla je 30 °C.  Optimálně dávkovat prací prostředek – dávkování závisí především na tvrdosti vody. Nadměrné dávkování prádlo nevypere lépe, naopak mohou na prádle ulpět zbytky pracího prostředku. Útroby pračky se mohou pokrýt bakteriálním filmem a v důsledku toho může pračka i prádlo začít zapáchat. [31]  Nepoužívate předpírku – stačí, když silně znečištěné prádlo namočíme přes noc.  Prací prostředek dávkovat přímo do bubnu pračky – umožňuje snížení dávky až o třetinu.  Vzdát se aviváží a optických rozjasňovačů – jsou obtížně biologicky odbouratelné. Měkkosti a bělejšího prádla lze dosáhnout přidáním octa namísto aviváže.  Rozvržení prací doby – prát za zvýhodněný tarif (specifikum ČR).  Vyčistit filtr odtokové vody – alespoň 2x ročně.  Přivádět již předehřátou vodu – pokud to typ pračky dovoluje, je výhodné přivádět do ní již vodu předehřátou (v ideálním případě slunečními kolektory nebo tepelným čerpadlem).  Třídit prádlo nejen podle barvy a materiálu, ale i podle stupně znečištění. Prací prostředky pro bílé prádlo obsahují bělící přísady, způsobují tak blednutí barevného prádla a zbytečně zatěžují životní prostředí.  Snížit počet otáček – velmi vysoké otáčky (nad 1000 ot./min) použijte pouze v případě následného použití sušičky prádla  Důležité je i umístění pračky, pokud je pračka umístěná na nerovné podlaze, doba odstřeďování se výrazně prodlouží, čímž se zároveň zvýší spotřeba energie a naopak sníží životnost pračky. [32] Klíčovou složkou určující cenu várky prádla, je teplota. [32] Vyprání jedné várky na 60 °C stojí okolo 8,-Kč. Při praní na 90 °C se spotřebuje o 35 % více energie, naopak při 40 °C bude celková spotřeba energie o 20 % nižší. [24] Podrobnější ekonomický přehled nabízí Tabulka 6. Ekonomika pracího cyklu by měla být v praktické části ověřena.

33

Tabulka 6: Cena, kterou zaplatíte za vyprání jedné 5kg várky prádla, 2009 [32] Teplota [°C] Moderní pračka [Kč] Starší pračka [Kč] 40 3,50 – 6 7 – 10 60 5–9 8 – 13 90 7,50 – 15 10 – 19 * Do celé kalkulace výpočtu ceny pro vyprání jedné várky prádla je nutné ještě připočíst cenu za prací prostředky. Ta se pohybuje v rozmezí 5–10 Kč na jednu dávku. 3.6.2. Spotřebiče v systému fotovoltaických soustav Při návrhu fotovoltaických systémů je nutné si nejdříve ujasnit, které spotřebiče budete využívat a kolik hodin denně. Následně je možné spočítat, kolik energie budete vlastně potřebovat. K ostrovnímu systému lze připojit spotřebiče napájené stejnosměrným proudem (napětí systému bývá zpravidla 12 nebo 24 V). Pro napětí 12 V se jedná o osvětlení, televizory, chladničky. U osvětlení jsou vhodné LED žárovky, které mají nízký příkon. Pokud je ve fotovoltaickém systému napěťový střídač lze zapojit běžně napájené síťové spotřebiče 230 V/~50 Hz – pračky, myčky, vařiče, televizory. Je vhodné volit spotřebiče s nižším příkonem, aby potřeba elektrické energie nebyla příliš vysoká. Mohou nastat potíže při zajištění aktuálních požadavků na činný příkon při rozběhu spotřebičů. To znamená, že v případě, že se zapnou, jejich aktuální činný výkon vystoupá do vysokých hodnot, což by mohlo ohrozit měnič napětí. Nejproblematičtějším běžným spotřebičem v tomto ohledu jsou kompresorové chladničky. [33] Družstevní závody Dražice nabízí také fotovoltaické ohřívače vody. Tyto zásobníkové ohřívače OKFE AC/DC používají na ohřev vody dva zdroje elektrického proudu. Akumulační ohřívače vody s kombinovaným ohřevem pomocí AC a DC proudu mohou být použity na ohřev vody jen pomocí AC proudu ze sítě nebo jen DC proudu z fotovoltaických panelů anebo současně, při různých kombinacích nastavení teplot pomocí dvou samostatných termostatů. [34] Tento vynález je patentován dle [35]

34

4 EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST 4.1. Reálný systém - kombinovaná solární soustava Vracov Solární soustava, na které je studována ekonomika provozu malých spotřebičů, je nainstalována v trvale obydleném rodinném domě v obci Vracov, která leží mezi obcemi Kyjov a Veselí. Územně-správním celkem je Jihomoravský kraj. Přesná zeměpisná poloha obce je určena souřadnicemi GPS, konkrétně 48°58'30.83"N,17°12'39.59"E. Kombinovaná solární soustava Vracov je navržena a dimenzována pro přípravu teplé vody a podporu vytápění v přechodném období roku. Těmto požadavkům odpovídá sestavení systému z jednotlivých komponent. 4.1.1. Kolektorové pole Kolektorové pole sestává z plochých vakuových kolektorů Heliostar H400V CF (celkem 6 kusů). Kolektory jsou produktem slovenské firmy Thermosolar Žiar nad Hronom. Je nutno uvést, že výrobce používá označení „vakuové ploché kolektory“, které není zcela přesné. Po nainstalování kolektoru je ve skutečnosti v prostoru absorbéru vytvořen vysoký podtlak dosahující hodnoty přibližně 100 Pa. Pro kontrolu podtlaku kolektoru slouží tlakoměr, který je umístěn na servisní trubce. Skříň kolektoru je vyrobena z nekorodujícího plechu lisováním za studena. Absorbér lisovaný z Al-Mg plechu je upevněn uvnitř skříně. Na povrchu absorbéru je nanesena vysoce selektivní vrstva na bázi oxidu hlinitého, který je zbarven koloidním niklem. Teplonosná kapalina protéká absorbérem skrze měděné trubky. V systému je použita teplonosná kapalina typu Solaren (Velvana a.s., Velvary ČR). 4.1.2. Akumuační nádrž Solární bojler je výrobkem firmy ROLF, typ Antikor SOL 300. Celkový objem bojleru je 300 l. Boiler je vybaven vinutým trubkovým výměníkem, plochým dohřívacím výměníkem, topnou elektrickou spirálou a anodickou ochranou. Celkový objem akumulační nádrže činí 1250 l. Jedná se o unikátní výrobek firmy Solartop Nové město na Moravě. Z důvodu minimalizace tepelných ztrát sestává provedení izolace z polystyrénových desek o tloušťce 30 + 5 cm. 4.1.3. Ostatní komponenty Prvky soustavy spojuje potrubím z měděných trubek o celkové délce 80 metrů. Nezbytným bezpečnostním prvkem je správně dimenzovaná expanzní nádrž, která vyrovnává změny tlaku v solárním okruhu při přehřátí teplonosné kapaliny v době stagnace soustavy. Cirkulaci teplonosné kapaliny a teplé vody zajišťují oběhová čerpadla WILO. Teplonosná kapalina předává své teplo do studené vody skrze vinutý trubkový výměník z nerezové oceli zabudovaný přímo v solárním bojleru ROLF anebo přes deskový tepelný výměník SWEP, který předává teplo do okruhu akumulační nádrže. Tímto způsobem je oddělen solární okruh od okruhu spotřeby. Pro dny s nedostatečným slunečním svitem je k dispozici plynový kotel Dakon o špičkovém výkonu 25 kW. Kotel má elektronicky upravenou topnou křivku s optimem při 12 kW a do regulačního systému je připojen jako řízený. 35

4.1.4. Regulace soustavy Řízení provozu soustavy, regulaci a monitoring dalších sledovaných parametrů zajišťuje volně programovatelná jednotka Hanazeder HLC 10, která disponuje celkem 16 analogovými vstupy a 4 rychlými digitálními vstupy, 4 analogovými a 8 digitálními výstupy. [36] Funkce řídící jednotky HLC 10 jsou následující:  monitoring teplot nezbytných pro efektivní regulaci soustavy  směrování získané solární energie do bojleru nebo akumulační nádrže  řízené spínání plynového kotle  ovládání čerpadel a ventilů v soustavě K parametrům ovlivňujícím regulaci soustavy patří především venkovní teplota vzduchu, vnitřní teplota vzduchu (v obytných prostorách domu), teplota na zpátečce topení a teploty měřené v jednotlivých bodech soustavy – výstup z kolektorů, vstup do kolektorů, solární bojler, akumulační nádrž, teplota selektivní vrstvy absorbéru, teplota na výstupu z plynového kotle. V systému jsou instalovány kontrolní analogové měřící prvky – manometr a teploměry umístěné v solárním a spotřebním okruhu. 4.1.5. Schéma zapojení soustavy[37]

36

Kolektorové pole je umístěno na jižně orientované střeše domu a má sklon 45°. Vzhledem k podmínkám uvedeným v kapitole 3.2.1.1, je zvolený sklon vhodný pro celoroční provoz soustavy. Potrubní rozvody izolované minerální a pěnovou izolací odpovídající tloušťky jsou střechou svedeny na půdu a komínem odstaveným z provozu dále do přízemí domu, kde se nachází kotelna. V kotelně je umístěno veškeré zbývající zařízení soustavy a plynový kotel. Studená voda je přiváděna do spodní části sol.bojleru, kde je umístěn i vinutý trubkový výměník a dochází tak k vysokému přestupu tepla ze solární kapaliny do studené vody. Ze solárního bojleru je vyveden výstup teplé vody (dále jen TV), který je opatřen směšovacím ventilem a míchá vodu na teplotu výstupu 55 °C. Topná voda je vedena z akumulační nádrže do topného systému domu (teplotní spád 50/75 °C) a zpět do akumulační nádrže. Pro účely temperování topného systému je v přechodném období nastavena teplota vstupu topné vody do topného systému na 37 °C. V případě, kdy je teplota v akumulační nádrži vyšší než v solárním bojleru, např. vlivem spotřebování TV z bojleru, je možné provádět dohřívání topnou vodou z akumulační nádrže přes dohřívací výměník v plášti solárního bojleru. Kromě této možnosti je možné dohřívat vodu také plynovým kotlem nebo elektrickým topným tělesem o příkonu 2,5 kW, které je umístěno ve střední části sol.bojleru. Posledně jmenovaný způsob představuje pouze nouzové řešení a v průběhu sledovaného období nebyl nikdy použit. K ohřevu TV a vytápění domu je používána pouze solární energie a zemní plyn.

4.1.6. Malé spotřebiče Jako prvky odebírající solárním systémem předehřátou vodu jsme zvolili domácí spotřebiče – počítačem volně programovatelnou pračku značky Miele a počítačem volně programovatelnou myčky taktéž značky Miele typ G 1442 Sci. Pračka Miele PW 5065 LP má elektronické řízení NOVOTRONIC L, které nabízí 63 programů s možností volného programování přes PC. Ovládání pračky je prováděno pomocí LCD displeje, otočného voliče a tlačítek. Pračka umožňuje přednastavení programu až 24 hodin dopředu. Pračka je vybavena vstupem na teplou i studenou vodu. K zásobníku solárně ohřáté vody je spotřebič připojen potrubím o délce 1,20 m. Tabulka 7: Technické údaje pračky Miele Model Rozměry [cm]

Kapacita [kg] Objem bubnu [l] Elektrické připojení Rychlost odstřeďování [min-1] Zbytková vlhkost [%] Faktor – g Teplota při pracím cyklu [˚C] Hlučnost [dB]

PW 5065 LP výška 85 šířka 59,5 hloubka 71,5 6,5 59 napětí 220/230 [V], 50 [Hz], maximální příkon 2,85 [kW] 0 – 1400 49 526 30 – 90 < 70 37

Myčka Miele G 1442 Sci nabízí také možnost volného programování přes PC. Ovládání myčky je prováděno pomocí LCD displeje, otočného voliče a tlačítek. Myčka umožňuje přednastavení programu až 24 hodin dopředu. Myčka je vybavena vstupem na teplou i studenou vodu. Tabulka 8: Technické údaje myčky Miele Model Rozměry [cm]

Kapacita Elektrické připojení Spotřeba vody [l] Spotřeba energie na cyklus [kWh] Hlučnost [dB]

G 1442 Sci výška 81 šířka 59,8 hloubka 57 12 sad napětí 220/230 [V], 50 [Hz], maximální příkon 2,85 [kW] 10 1,05 41

Schéma zapojení spotřebičů k solární soustavě je uvedeno v Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. 4.1.6.1. Návrh optimálního pracího cyklu Pro návrh optimálního pracího cyklu vyjdeme z tipů uvedených v kapitole 3.6.1.4. Výše uvedené tipy nemají pouze ekonomický přínos, ale mají také přínos ekologický. Jak již bylo uvedeno v kapitole 3.6.1.2 energetické štítky udávají spotřebu vody a elektrické energie pouze pro programy bavlna 40 °C a bavlna 60 °C. Spotřeba u jiných pracích programů se od těchto udávaných hodnot výrazně liší – daný program např. vyžaduje snížený obsah náplně, ale spotřebuje stejné množství vody a elektřiny, což z něj činí výrazně neekonomický. Stejně tak je tomu, pokud pračka obsahuje některý z pracích programů označený jako úsporný – tento program reálně nemusí být opravdu ten nejúspornější. Proto jako optimální prací program, zvolím program, o kterém si myslím, že je široce a často používán – bavlna. Pokud se nejedná o prádlo, které potřebuje vyvářku, zvolím nízkou teplotu praní do 60 °C. Podobné je to i v případě otáček. Velké otáčky odstřeďování jsou nutné pouze v případě následného použití sušičky, která vyžaduje nižší zbytkovou vlhkost prádla. Proto v optimálním pracím cyklu, snížím otáčky. Není nutné, aby otáčky přesahovaly hodnotu 800 ot./min. Při nižších otáčkách navíc prádlo nebude tolik zmačkané. Jak ukazují výsledky provedeného měření, je výhodné využívat již předehřátou vodu z jiných zdrojů (zejména ze solárních systémů). Použitím této vody dojde k výraznému snížení spotřeby elektrické energie a v závislosti na tom také vynaložených finančních prostředků. 4.1.6.2. Nastavení pracího a mycího cyklu Pro naše měření byl jako optimální prací program zvolen cyklus při teplotách praní 40° C a 60° C. Hlavním důvodem této volby je názor, že praní při těchto teplotách je široce využíváno. 38

Každému z pracích cyklů bylo pro větší přehlednost uděleno číslo pracího cyklu. Další nastavené parametry jsou uvedeny v Tabulka 9. Tabulka 9: Nastavení pracích cyklů Teplota Teplota Číslo pracího vstupní vody pracího cyklu programu (°C) (°C) 1 40 55 2 60 55 3 60 12

Počet otáček (min-1) 1400 1400 1400

Zadaná doba pracího cyklu (min) 47 37 47

U myčky byl zvolen mycí program Light 50°C. Teplota programu dosahuje 50 °C, jak uvádí název i Tabulka 10. Dalším důležitým parametrem je myčkou odhadovaná doba pracího cyklu. Doba cyklu doba je závislá na volbě programu. Tabulka 10: Nastavení mycích cyklů Číslo mycího cyklu

Teplota mycího programu (°C)

Teplota vstupní vody (°C)

1 2

50 50

55 12

Zadaná doba mycího cyklu (min) 80 80

4.2. Měřené parametry Pro vyhodnocení ekonomiky provozu domácích spotřebičů je hlavním parametrem spotřeba elektrické energie. Pomocí elektroměru HXE12 AS [38] disponující sériovým rozhraním RS483 jsme pomocí námi zkonstruovaného převodníku RS483-USB převedli data do počítače. Data byla zpracována programem Data loger PCE, který byl vyvinut na naší fakultě. Záznam elektrických veličin, především záznam proudu, napětí a činného výkonu jsme ověřovali zařízením Voltcraft data loger, které můžeme vidět na Obrázek 21. Ze získaných hodnot jsem vyhodnotila celkovou spotřebu pro jednotlivé cykly. Dalším měřeným parametrem je teplota vstupní vody. Hodnota byla zaznamenána teplotním snímačem umístěným na výstupu z akumulační nádrže. Pomocí optického rozhraní a speciálního softwaru firmy Mielle jsme mohli on-line monitorovat celý prací cyklus včetně možnosti softwarového zásahu do chodu pračky v jeho průběhu (Obrázek 20).

39

Obrázek 20: Monitorování průběhu pracího cyklu

Obrázek 21: Voltcraf data loger

40

Obrázek 22: Monitorování průběhu mycího cyklu

Obrázek 23: Řídící jednotka a elektroměr HXE12 AS

41

5 VÝSLEDKY A DISKUSE Na Grafech 3, 4, 5 můžeme vidět záznam pracích cyklů. Z naměřených záznamů závislosti činného výkonu na době trvání cyklu je zřejmé, že největší podíl na spotřebě celkové elektrické energie je v průběhu ohřevu vody. Do této fáze praní je také soustředěna proudová špička, která zatěžuje elektrický obvod. Další proudová špička se objevuje při rozběhu odstřeďování. Na celkové spotřebě elektrické energie se však odstřeďování podílí v průměru jen několika procenty. Z grafických závislostí je patrný vliv teploty vstupní vody. Pro Prací cyklus 1(Graf 3), tedy praní při teplotě 40°C a teplotě vstupní vody 55°C, vidíme první proudovou špičku a také vysoký činný výkon, které se objevuje kolem 5. minuty cyklu a končí po 6. minutě. Znovu se vysoký činný výkon a proudová špička objevují kolem 9. minuty a drží se ve vysokých hodnotách opět minutu až minutu a půl. Pro Prací cykly 2 a 3 (Graf 4 a 5) je průběh této fáze pracího cyklu rozdílný. Vysoký činný výkon a proudová špička se objevují taktéž kolem 5. až 6. minuty, ale ve vysokých hodnotách se drží zhruba 10 minut. To je dáno potřebou dohřívat vodu na požadovanou teplotu 60 °C. Tabulka 11 udává vedle nastavených hodnot, výsledné hodnoty spotřeby elektrické energie v kWh pro jednotlivé prací cykly a taktéž reálnou dobu pracího cyklu. Tabulka 11: Výsledné hodnoty pracích cyklů Číslo pracího cyklu

1 2 3

Teplota pracího programu (°C)

40 60 60

Teplot a vstupní vody (°C)

55 55 12

Počet otáček (min-1)

1400 1400 1400

OdhadoReálná vaná doba doba pracího pracího cyklu (min) cyklu (min)

47 37 47

44 37 54

Spotřeba (kWh)

0,15 0,44 0,71

Na Graf 1 můžeme názorně vidět rozdíl ve spotřebě elektrické energie. Nahrazením studené vstupní vody (12 °C) teplou solárně ohřátou vstupní vodou (55 °C) došlo ke snížení spotřeby elektrické energie o 38%.

42

Graf 1: Spotřeba elektrické energie při rozdílné teplotě vstupní vody Graf 2 demonstruje vliv teploty praní na spotřebu elektrické energie. Jak lze vidětGraf 2, snížením požadované teploty se sníží i spotřeba celkové elektrické energie. To je dáno tím, že odporové těleso při nižší teplotě dosahuje požadované teploty dříve než při praní na vyšší teplotu.

Graf 2: Spotřeba elektrické energie při rozdílné teplotě praní V Tabulka 11 také můžeme vidět, jakým způsobem ovlivnilo použití teplé nebo studené vody reálnou dobu pracího cyklu. V případech použití solárně předehřáté teplé vody (Prací cyklus 1 a 2) se v reálném čase doba nezměnila nebo zkrátila oproti času, který na cyklus odhaduje spotřebič. V případě použití studené vody (Prací cyklus 3) došlo v reálném čase k prodloužení doby odhadované spotřebičem.

43

Graf 3: Záznam praní - Prací cyklus 1

44

Graf 4: záznam praní - Prací cyklus 2 45

Graf 5: Záznam praní - Prací cyklus 3 46

Na Grafech 7 a 8 můžeme sledovat průběh mycího cyklu. První proudová špička a vysoký činný výkon se objevují ve fázi ohřívání vody na mytí. Po druhé se objevuje proudová špička a vysoký činný výkon ve fází posledního oplachování, které je prováděno horkou vodou. Tabulka 12 udává výsledné hodnoty spotřeb elektrické energie a reálných časů mycích cyklů. Tabulka 12: Výsledné hodnoty mycích cyklů Teplota Číslo Teplota Odhadovaná Reálná mycího Spotřeb mycího vstupní doba mycího doba mycího programu a (kWh) programu vody (°C) cyklu (min) cyklu (min) (°C) 1 50 55 80 82 0,91 2 50 12 80 97 1,40 Stejně jako u praní došlo i v případě mytí ke snížení spotřeby elektrické energie v případě napouštění myčky teplou vodou. Názorně můžeme snížení spotřeby elektrické energie vidět na Graf 6. V tomto případě došlo ke snížení spotřeby o 35%.

Graf 6: Spotřeba elektrické energie na mytí v myčce Na grafických závislostech činného výkonu a proudu na čase (Graf 7 a 8) jsme opět zaznamenali u Mycího cyklu 1 zkrácení doby potřebné na ohřev vody oproti Mycímu cyklu 2. Tedy napouštěním již předehřáté teplé vody došlo ke zkrácení této doby. V Tabulka 12 můžeme porovnat reálnou dobu mycího cyklu. V případě použití teplé vody (Mycí cyklus 1) nedochází k prodloužení této doby oproti době odhadované spotřebičem před startem cyklu.

47

Graf 7: Záznam mytí - Mycí cyklus 1 48

Graf 8: Záznam mytí - Mycí cyklus 2

49

Tabulka 13 udává vyhodnocení ekonomických úspor, které vychází z námi naměřených a vypočtených spotřeb elektrické energie. Získaná ekonomická úspora porovnává provoz spotřebiče při uvažovaném používání pouze studené vody a provoz spotřebiče při používání teplé vody. Výpočet vychází z předpokládaných 220 cyklů za rok, což odpovídá přibližně 4 cyklům týdně. Pro výpočet byla použita průměrná cena 1 kWh 4,6 Kč, není uvažován duální tarif. [39] Výsledná výše úspory se tak může lišit v závislosti na dodavateli elektrické energie a typu tarifu. Tabulka 13: Vyhodnocení ekonomických úspor Spotřeba Teplota Spotřeba el. energie na Počet vstupní vody el. energie za 1 cyklus cyklů za rok (°C) rok (kWh) (kWh) Pračka 0,71 12 220 156 0,15 55 220 33 Myčka 1,4 12 220 308 0,91 55 220 200

Cena za rok(Kč)

Úspora (Kč)

719 152

567

1417 921

496

Práce publikované na toto téma, které jsem měla k dispozici [20, 21] hodnotí úsporu a solární zisky pouze u spotřebičů, které jsou zapojeny přes tepelný výměník. Tyto články také uvádí, že koncept zapojení přes tepelný výměník je mnohem výhodnější než zapojení se dvěma vstupy vody, jak je tomu v našem případě. Z důvodu lišící se koncepce zapojení nemůže dojít k plnohodnotnému porovnání. Koncept zapojení přes tepelný výměník vyžaduje vysokou teplotu vstupní vody až kolem 70 °C, což se může jevit při zapojení k tepelnému solárnímu systému jako nevýhodné. Ne, že by bylo nemožné těchto teplot v akumulační nádrži dosáhnout, problém bude spíše v dosažení a udržení dostatečného teplotního rozdílu mezi nádrží a kolektorem. Teplotní rozdíl mezi nádrží a kolektorem se řadí mezi hlavní faktory, které určují tepelné ztráty systému. Pokud výsledky této práce porovnám s výsledky, kterých jsem dosáhla v rámci bakalářské práce [40], bylo v obou pracích prokázáno snížení spotřeby elektrické energie při použití solárně předehřáté vody. Snížení spotřeby elektrické energie, je v obou pracích vyhodnocena jako závislá na volbě teploty praní. Dalšího snížení spotřeby elektrické energie by mohlo dojít kombinací solárního termického systému se solárním fotovoltaickým systémem. Fotovoltaický systém by mohl být zapojen jako podpůrný prvek tzn. jím vyrobenou elektřinou by bylo poháněno čerpadlo termického systému a také dodávána elektřina pro řídící jednotku. Další možností je použít fotovoltaický systém na výrobu elektrické energie pro vlastní spotřebu. V tomto případě by zřejmě došlo k větším úsporám elektrické energie, ale investice by byla nákladnější.

50

6 ZÁVĚR Cílem práce bylo změřit základní technologické parametry a vyhodnotit ekonomiku provozu malých domácích spotřebičů, které jsou napojeny na kombinovaný solární systém a využívají během svého provozu předehřátou vodu z tohoto systému. Ekonomika provozu pračky a myčky byla sledována na reálném solárním systému Vracov, který je dimenzován pro ohřev TUV a přitápění. Prokázalo se podstatné snížení spotřeby elektrické energie v případech využití předehřáté vody ze solárního systému oproti provozu spotřebičů pouze se studenou vodou. V případě pracích cyklů, tak lze dosáhnout až 80% úspory finančních nákladů na praní a u myčky úspora dosahuje až 35% z vynaložených finančních nákladů na mytí v myčce.. Bylo prokázáno i podstatné snížení času nutného pro ohřev celého obsahu spotřebičů. Což se projevilo i na celkovém trvání cyklu. Tento časový údaj může být zajímavý pro průmyslové využití. Vzhledem ke zdroji tepla tím bylo také prokázáno zlepšení celkové ekonomiky provozu solárního systému.

51

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] [2] [3]

[4] [5] [6] [7] [8]

[9] [10]

[11] [12] [13] [14] [15]

[16]

[17]

CIHELKA, J. Solární tepelná technika. 1. vydání, Praha: Nakladatelství T. Malina, 1994. 203 s. ISBN 80-900759-5-9. BERANOVSKÝ, Jiří a Jan TRUXA. Alternativní energie pro váš dům. 2. vyd. Brno: ERA, 2004, 125 s. ISBN 80-86517-89. Sun hours for European cities. sapa-solar.com [online]. Sapa group, © 2013 – 2014. [cit 2013-04-11] Dostupné z:< http://www.sapa-solar.com/sun-hourseuropean-city.html> LADENER, H.; SPÄTE F. Solární zařízení. 1. vyd. Praha: Grada, 2003, 267 s. ISBN 80-247-0362-9. HALLER, Andreas. Solární energie: Využití při obnově budov. 1. vyd. Praha: Ikar, 2001, 177 s. ISBN 80-716-9580-7. Energie Slunce: Ohřev vody, vytápění. EkoWaTT [online]. 2007, [cit. 201303-03]. Dostupný z WWW: <www.ekowatt.cz>. MATUŠKA, T. Solární zařízení v příkladech. 1. vyd. Praha: Grada, 2013, 254 s. Stavitel. ISBN 978-80-247-3525-2. MATUŠKA, T.: Zásobníky tepla s řízeným teplotním vrstvením (stratifikací). tbz-info.cz [oline]. Topinfo s.r.o., © 2001-2013 [cit 2013-04-01]. ISSN 18014399. Dostupné z:< http://oze.tzb-info.cz/solarni-kolektory/zasobniky-tepla-srizenym-teplotnim-vrstvenim-stratifikaci> MATUŠKA, T.: Teplonosná kapalina [online]. 2001-2013 [cit. 2013-03-06]. Dostupný z: MURTINGER, Karel, Jiří BERANOVSKÝ a Milan TOMEŠ. Fotovoltaika, elektřina ze slunce. 1. vyd. Brno: ERA, 2007, vii, 81 s. ISBN 978-80-7366100-7. HASELHUHN, R. Fotovoltaika: budovy jako zdroj proudu. 1. české vyd. Ostrava: HEL, 2011, 176 s. ISBN 978-80-86167-33-6. MURTINGER, Karel. Solární energie pro váš dům. 1. vyd. Brno: ERA, 2005, 91 s. ISBN 80-736-6029-6. Solarenvi [online]. 2013 [cit. 2013-04-01]. Fotovoltaika. Dostupné z WWW: . LIBRA, M.; POULEK, V. Fotovoltaika: teorie i praxe využití solární energie. 2., dopl. vyd. Praha: Ilsa, 2010, 165 s. ISBN 978-80-904311-5-7. MIKŠÍK, František; KOTLÍK, Josef. Kombinované solární systémy a jejich řízení v rodiných domech. ETM Elektrotechnický magazín: Odborný magazín pro elektrotechniky,energetiky,projektanty,zájemce o silnoproudou elektrotechniku, podnikatele a investory v oborech elektro. Brno: Elektromanagement, 2012, roč. 2012, č. 5, s. 18-20. ISSN 1210-5422. Domácí spotřebiče. energetický poradce.cz [online]. Centrum energetického poradenství PRE, Pražská energetika a. s. [cit 2013-04-12] Dostupné z: Spotřeba energie v domácnostech. citadella.cz [online]. ESF, Cenia, © 2013. [cit 2013-04-12] Dostupné z: 52

[18]

[19]

[20]

[21]

[22] [23]

[24]

[25]

[26]

[27]

[28]

PERSSON, T. Dishwasher and washing machine heated by a hot water circulation loop. Applied Thermal Engineering. 2007, vol. 27, issue 1, pp. 120128. ISSN 1359-4311 Themeßl, Armin; Weiß, Werner; Hollan, Jan: Svépomocné solární systémy: Příručka projektování a stavby solárních systémů. 2003. 61s. Příručka pro workshop „svépomocné instalace“. Vydavatel: ZO ČSOP Veronica. Ekologický institut Veronica. PERSSON, T; RÖNNELID, M.: Increasing solar gains by using hot water to heat dishwashers and washing machine. Applied Thermal Engineering. 2007, vol. 27, issue 2-3, pp. 646-657. ISSN 1359-4311 ZEGERS, F. T. S.; MOLENBROEK, E. C.: Field test of heat-fed washing machines and tumble dryers, Cadence Appendix K. ECOFYS, Utrecht, Netherlands, 2000. Dostupné z: KOTLÍK, J.; PŮČKOVÁ, H. Increasing solar gains by using hot water for needs small home appliance. Brno, CZ, STRC. 2007. (10 p.). KOPAČKOVÁ, D.: Nové energetické štítky na spotřebiče v roce 2011. tzbinfo.cz [online]. Topinfo s.r.o., ©2001-2013 [cit. 2013-04-01] Doztupné z: TŮMOVÁ, M.: Ekonomické praní – jak nejvíce ušetřit?. nazeleno.cz [online]. xBizon, s. r. o. 2008. ISSN 1803-4160. [cit 2013-04-03] Dostupné z: Pračka Miele W 5841 All Water. shop-miele.cz [online]. Miele spol. s r.o., © 1996 – 2013 [cit. 2013-04-06] Dostupné z: Whirlpool AWO/C 6204. heureka.cz. [online] Allegro Group CZ, s.r.o., 20002013 [cit. 2013-04-06] Dostupné z:< http://pracky.heureka.cz/whirlpool-awo-c6204/recenze/> ČERNÝ, Václav. Domácí spotřebiče II (4). Elektro: odborný časopis pro elektrotechniku. Praha: FCC PUBLIC s. r. o., 2002, roč. 2002, č. 01, s. 56. ISSN 1210-0889.

53

[29]

[30] [31]

[32] [33]

[34]

[35]

[36] [37]

[38] [39]

[40]

MIELE & CIE. GMBH & CO. Drum, for washer-dryer, has casing surface at least partly provided with indentations in form of honeycombcurvature structure whose honeycomb surfaces face outside of drum. [online] Invertors: Hellhake; W., Jording; W.; Pauleickhoff, W.; Schroeder, H. Ch.. DE10145079 (C1). Int. Cl. D06F37/04, D06F58/04. Appl. no.: DE2001145079 20010913. World Intellectual Property Organization. [vid April 13 2013] Available from: http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?FT=D&date=200210 10&DB=EPODOC&locale=en_EP&CC=DE&NR=10145079C1&KC=C1&N D=5 VLAŠÍN M, a kol.: Desatero domácí ekologie. 5. vyd. Brno: Síť ekologických poraden, 2009. ISBN 978-80-904520-0-8 Za málo vody málo muziky. D Test: časopis pro spotřebitele. Praha: Občanské sdružení spotřebitelů "TEST", 2013, roč. 2013, č. 4, s. 26-33. ISSN 1210731X. BARTOŠ, L. a kol. Životní prostředí - prostředí každého z nás?: Česká republika 2009. Praha: CENIA, c2009, 130 s. ISBN 978-80-85087-71-0. HNILICA, P.: Měniče napětí – střídače. deramax.cz [online] Deramax – elektronika pro dům a zahradu. [cit 2013-04-13] Dostupné z: Družstevní závody Dražice - strojírna, s. r. o.: Solární a fotovoltaické ohřívače: Teplá voda až o 70 % levněji. tbz-info.cz [online]. Topinfo s.r.o., 2001-2013. [cit. 2013-04-13]. Dostupné z:< http://voda.tzb-info.cz/priprava-teplevody/9205-solarni-a-fotovoltaicke-ohrivace-tepla-voda-az-o-70-levneji> Lako Daniel. Zařízení pro kombinovaný ohřev vody pomocí střídavého a stejnosměrného proudu [online]. Vynálezce: Daniel Lako. Přihl. 25.02.2011. MTP: F 24 H 1/20, H 05 B 1/02, H 01 L 31/042. Čís. patentu: 22504 21. 07. 2011. Úřad průmyslového vlastnictví. [vid. 13. dubna 2013]. Dostupné na:< http://isdv.upv.cz/portal/pls/portal/portlets.pts.det?xprim=1635838&lan=c s> HLC Programmer. Ried im Innkreis: hanazeder electronic GmbH. KOTLÍK, J.; PŮČKOVÁ, H. Vizualizace a on-line přístup k solárním systémům. In Biotechnology 2006 , přednáška. České Budějovice 2006, Scientific Pedagogical Publishing, České Budějovice. 2006. p. 549 - 552. ISBN 80-85645-56-4. Hexing. [online] Hexing Electrical Co., Ltd. [cit. 2013-04-25] Dostupné z:< http://www.hxgroup.cn/Index.aspx> Kolik stojí kWh elektřiny v roce 2012?. uspornadomacnost.cz. [online] Úsporná domácnost, © 2013, [cit. 2013-04-22]. Dostupné z: HOSOVÁ, Ž. Vliv malých domácích spotřebičů na ekonomiku solárních systémů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, 2011. 36 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Josef Kotlík, CSc..

54

ZDROJE OBRÁZKŮ Obrázek 2 Obrázek 3 Obrázek 5 Obrázek 6 Obrázek 7 Obrázek 9 Obrázek 19

http://old.chmi.cz/meteo/ok/atlas/uvod.html http://www.sapa-solar.com/sun-hours-european-city.html http://www.propuls.cz/solarni-systemy-ohrev-tuv-pritapeni.html http://www.cne.cz/solarni-ohrev-vody/uvod-do-termickych-systemu/ http://www.topeni-topenari.eu/topeni/topidla-alternativni/solarnivytapeni/kapalinove.php http://www.profitsolar.cz/o-solarni-energii.php http://www.washerhelp.co.uk/reviews/pics/Miele-W3740/honeycombdrum.html

55

SEZNAM PŘÍLOH Příloha č. 1 Příloha č. 2 Příloha č. 3 Příloha č. 4 Příloha č. 5 Příloha č. 6

Schéma zapojení spotřebičů k solárnímu systému Hodnoty proudu, výkonu a spotřeby pro Prací cyklus 1 Hodnoty proudu, výkonu a spotřeby pro Prací cyklus 2 Hodnoty proudu, výkonu a spotřeby pro Prací cyklus 3 Hodnoty proudu, výkonu a spotřeby pro Mycí cyklus 1 Hodnoty proudu, výkonu a spotřeby pro Mycí cyklus 2

56