Základní způsoby využití solárního tepla

Slunce jako nevyčerpatelný zdroj energie je u nás v poslední době poměrně negativně spojován hlavně s fotovoltaikou. A poněkud se zapomíná, že v podmínkách ČR má možná ještě větší perspektivu využití slunce jako zdroje tepla. Jaké jsou základní termické solární soustavy a jaké u nás mají parametry?

Příprava teplé vody

Využití sluneční energie pro předehřev a přípravu teplé vody je výhodné vzhledem k celoročně přibližně konstantní spotřebě tepla. Solární soustavy pro přípravu teplé vody proto mají dobrou využitelnost, jsou rozšířené a známé a veřejností jsou vnímány jako smysluplné opatření.

Solární soustavy pro přípravu teplé vody jsou kromě obytných budov vhodné i pro využití v terciárním sektoru např. pro ústavy sociální péče, domovy důchodců, hotely, sportovní centra, apod., kde je stálá spotřeba teplé vody celoročně nebo s výraznými špičkami odběru v letním období.

Maloplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody v rodinných domech jsou zpravidla standardně řešeny jako průmyslové vyráběné a dodávané komplety. Vzhledem k běžné spotřebě teplé vody 30 až 50 l/os/den jde o solární soustavy s plochou kolektorů 4 až 8 m2 se solárním zásobníkem teplé vody o objemu 200 až 400 l. Používají se solární soustavy ve variantách:

– s předehřívacím solárním zásobníkem: solární zásobník je předřazen konvenční přípravě teplé vody;

– s bivalentním solárním zásobníkem: solární zásobník má vestavěný dodatkový zdroj tepla.

Malé soustavy se vyznačují především jednoduchým řešením, ale také výrazným podílem tepelných ztrát (20-30 %), které snižují využitelné tepelné zisky Solární tepelné soustavy pro rodinné domy se projektují zpravidla s pokrytím potřeby tepla 50 až 70 % a dosahují měrných ročních zisků 300 až 400 kWh/m2/rok).

Velkoplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody s kolektorovou plochou nad 50 m2, které mezi primárním kolektorovým okruhem a zásobníkem používají deskový výměník, lze rozlišit na soustavy:

– se solárními zásobníky teplé vody: odběrový okruh (studená a teplá voda) přímo napojen na solární zásobníky;

– se solárními zásobníky tepla: oddělení odběrového okruhu výměníkem tepla (průtokový, zásobníkový ohřev vody).

– s velkoobjemovým solárním zásobníkem: vhodné pro novostavby,

– s objemem rozděleným do více menších zásobníků: vhodné pro rekonstrukce, zásobníky zapojeny paralelně nebo sériově.

Velkoplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody jsou dimenzovány zpravidla na krytí potřeby tepla v letním období za účelem vyloučení problematických stagnačních stavů ve velké ploše kolektorů. Z toho vyplývá nižší návrhové pokrytí do 45 %. Poměr tepelných ztrát k energii produkované kolektory je výrazně menší (5 až 10 %) než u maloplošných soustav pro rodinné domy a velkoplošné soustavy tak dosahují vyšších měrných tepelných zisků 400 až 600 kWh/m2/rok.

 

Solární vytápění


Se snižováním potřeby tepla na vytápění budov (nízkoenergetické domy, energeticky pasivní domy) nacházejí stále větší uplatnění solární soustavy sdružující přípravu teplé vody a vytápění, tzv. solární kombinované soustavy. Propojení solární soustavy s otopnou soustavou pro krytí potřeby tepla zvláště v jarních a podzimních měsících je možné vzhledem k nízkým provozním teplotám otopné vody (nízkoteplotní vytápění) výhodným pro efektivní provoz solárních kolektorů. Potřeba tepla na vytápění budov se však během roku časově rozchází se špičkami dostupných solárních zisků a lze proto dosáhnout vždy jen částečného pokrytí potřeby tepla. Zpravidla ekonomicky přijatelné jsou roční hodnoty pokrytí mezi 15 a 35 % celkové roční potřeby tepla pro přípravu teplé vody a vytápění. Požadovaná hodnota solárního pokrytí ovlivňuje návrh zařízení a jeho energetické přínosy.

Základními předpoklady úspěšného návrhu solárních kombinovaných soustav jsou:

– dostatečná tepelná izolace domu a kvalitní okna: nízkoenergetický nebo pasivní standard budov;

– nízkoteplotní otopná soustava: velkoplošné sálavé vytápění, vhodná otopná tělesa;

– vhodná návaznost na ostatní zdroje tepla a technologie v budově včetně regulace;

– sklon kolektoru asi 45° až 90°, jižní orientace kolektoru v nezastíněném prostranství;

– možnost využít letní přebytky solární soustavy (bazén, sušení, akumulace).

Maloplošné solární kombinované soustavy pro rodinné domy lze pořídit jako průmyslově vyráběné a dodávané komplety nebo jako soustavy dodané na objednávku, vyznačující se různým stupněm originality v závislosti na požadované funkci a dalších využívaných zdrojích tepla. U maloplošných solárních kombinovaných soustav do 20 m2 se vlivem snížené využitelnosti letních přebytků energie pohybují měrné tepelné zisky na úrovni 250 až 350 kWh/m2/rok. Lze rozlišit dvě základní koncepce:

– se dvěma solárními zásobníky: solární zásobník teplé vody, solární zásobník otopné vody,

– s centrálním (integrovaným) solárním zásobníkem tepla: zásobník otopné vody s přípravou teplé vody přes dodatečnou teplosměnnou plochu: vestavěný zásobník TV v solárním zásobníku, průtočný výměník vestavěný v solárním zásobníku, externí deskový výměník pro průtokový ohřev vody.

Velkoplošné solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění nejsou zatím tak častým řešením jako soustavy určené pouze pro přípravu teplé vody. Využívá se velkoobjemového solárního zásobníku tepla nebo více zásobníků tepla o menším objemu s ohledem na jejich dopravu a umístění. Dodatkový zdroj tepla je zapojen buď do solárního zásobníku nebo na jeho výstupu (dohřev). Návrh se s ohledem na omezení letních přebytků zpravidla koncipuje pro letní krytí potřeby tepla na přípravu teplé vody, nicméně v přechodovém období se solární teplo výhodně využívá pro ohřev vratné vody. Tomu odpovídají také z principu vyšší měrné využité zisky solární soustavy od 350 do 450 kWh/m2/rok. V zásadě se používají dvě koncepce zapojení sekundární části:

– čtyřtrubkový rozvod: příprava teplé vody je centrální a v objektu je veden potrubní rozvod: teplá voda, cirkulace, přívodní, vratná otopná voda;

– dvojtrubkový rozvod: příprava teplé vody je lokální, v objektu je rozvod přívodní a vratné otopné vody veden do jednotlivých odběrů vybavených lokálními bytovými předávacími stanicemi pro vytápění a přípravu teplé vody.

 

Ohřev vzduchu

Existuje celá řada oblastí, ve kterých se využívá ohřátého vzduchu a použití solárních vzduchových kolektorů a soustav může výrazně snížit energetickou náročnost ohřevu. Jedná se především o aplikace:

– větrání: předehřev čerstvého větracího vzduchu přiváděného do vnitřních prostorů; v letním období mají solární větrací soustavy omezenou využitelnost, výhodné jsou potom kombinace s kapalinovými výměníky pro předehřev teplé vody (hybridní systémy kapalina-vzduch;

– vytápění: ohřev cirkulačního otopného vzduchu, ať již přímo přiváděného do prostoru nebo vzduchu předávajícího teplo do akumulační hmoty konstrukce budovy (hypokaustické systémy);

– sušení: ohřev venkovního vzduchu pro zvýšení intenzity odvodu vlhkosti ze sušeného materiálu, např. sušení dřeva, plodin, aj.

Využití vzduchu jako teplonosné látky má řadu úskalí. Předně, tepelná kapacita vzduchu je oproti kapalinám výrazně nižší a k přenesení tepelného výkonu (solárního zisku) z kolektorů jsou potřebné vysoké průtoky spojené s relativně velkými rozměry potrubních rozvodů. Další nevýhodou je spotřeba elektrické energie   svázaná  s provozem vzduchových soustav, která může výrazně ovlivnit bilanci úspor primární energie při využití solárních vzduchových zařízení. V České republice se solární soustavy pro ohřev vzduchu zatím příliš neuplatňují, přestože mají poměrně bohatou historii využití v zemědělství v podobě velkokapacitních solárních seníků pro dosoušení píce.

 

Soustavy pro CZT

Solární soustavy pro centralizované zásobování teplem pracují na stejném principu jako solární kombinované soustavy, jen v řádově odlišném měřítku. Teplo získané ze solárních kolektorů je primárním okruhem přivedeno k centrálnímu zdroji vybavenému zpravidla alespoň minimální akumulací tepla, odkud je předáváno dále do sítě CZT, nebo přímo do rozvodu CZT. Teplo rozváděné distribuční sítí CZT je v domovních předávacích stanicích využito pro přípravu teplé vody a vytápění budov. Pokud tepelné zisky ze solárních kolektorů nestačí pro pokrytí potřeby tepla, zapíná se centrální zdroj tepla, například plynový kotel. Rekonstrukce stávajících systémů CZT ve výtopenském režimu (bez produkce elektrické energie) s využitím solárních soustav je jedním ze způsobů snížení spotřeby fosilních paliv v sídelních celcích, který má velký potenciál nahrazení primárních paliv. Solární soustavy pro CZT lze rozdělit do několika kategorií s různým stupněm pokrytí celkové potřeby tepla na přípravu teplé vody a vytápění:

– Bez akumulace tepla: Solární tepelné zisky se akumulují v objemu rozvodů celé sítě. Plocha solárních kolektorů je navržena na trvalou potřebu tepla sítě CZT a solární pokrytí se pohybuje zhruba do 5 %.

– S krátkodobou (denní) akumulací: Nárazníkový akumulátor slouží pro akumulaci nejvýše několikadenních zisků. Plocha solárních kolektorů se navrhuje na krytí letní potřeby tepla na přípravu teplé vody. Objem vodního zásobníku pro krátkodobou akumulaci se navrhuje řádově od 50 do 100 l/m2 plochy kolektorů. Návrhové solární pokrytí se pohybuje od 10 do 20 %. Typické dosahované zisky jsou 350 až 500 kWh/m2/rok).

– S dlouhodobou (sezónní) akumulací: Velkoobjemové sezónní zásobníky slouží pro akumulaci letních nadbytečných zisků a jejich přenesení do zimního období pro krytí potřeby tepla na vytápění a přípravu teplé vody. Návrhové solární pokrytí se pohybuje do 50 %. Typické dosahované tepelné zisky jsou 200 až 350 kWh/m2/rok. Solární CZT soustavy se sezónní akumulací využívají čtyř základních typů sezónních zásobníků tepla: vodní zásobníky (v zemi zakopané železobetonové nádrže), štěrko-vodní zásobníky (v mělkých velkoobjemových výkopech), zemní vrty (akumulace v zemském masivu), aquifery (akumulace v geologicky vhodných zvodněných podzemních vrstvách písku, štěrku či pískovce bez proudění spodní vody).

 

Ohřev bazénů

Ohřev bazénové vody je jednou z nejpříznivějších aplikací solárních soustav, jednak z důvodů časové korelace mezi poptávkou po tepla (otevřené venkovní bazény využívané především v létě) a jednak z důvodu nízké požadované teploty do 28 °C. Tepelné zisky solární soustavy kryjí tepelné ztráty bazénu (především odparem) a potřebu tepla na ohřev přiváděné čerstvé vody. Předpokladem instalace solární soustavy je omezení zbytečných tepelných ztrát odparem zakrýváním volné hladiny v době mimo provoz.

Koncepce solárních soustav pro ohřev bazénové vody se zpravidla liší podle druhu bazénů:

– otevřené venkovní bazény – solární soustava je určena pro letní sezónu s kolektory na bázi levných nezasklených plastových absorbérů z EPDM nebo PP,

– kryté vnitřní bazény – solární soustava s celoročním provozem se zasklenými kolektory se selektivním absorbérem a nemrznoucí směsí. Solární okruh je oddělen od bazénové vody výměníkem tepla (nerezový výměník) předřazeným před výměník dohřevu.

U velkých celoročně provozovaných bazénů, kde je filtrace ve stálém provozu, je solární ohřev integrován do filtračního okruhu. Přestože tato praxe převažuje i u instalací pro bazény rodinných domů, je v malých aplikacích vhodné výměník solárního okruhu zapojit s vlastním malým bazénovým čerpadlem (řádově desítky W) do obtoku filtrace, aby pro předání tepla do bazénové vody nebylo nutné spouštět výkonné filtrační čerpadlo (řádově stovky W).

U venkovních bazénů jsou solární přínosy omezeny dobou trvání sezóny a pohybují se zpravidla mezi 350 a 450 kWh/m2/rok. Solární soustavy pro vnitřní bazény využívají sluneční energii v celoročním provozu a zisky dosahují až 600 kWh/m2/rok.

 

Tomáš Matuška, Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze

 

 

Celý článek je uveřejněn v čísle 5/11 časopisu Energie 21

 

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *