Zásobníky tepla

U vysokoteplotních zásobníků je nutno dodržet stratifikaci neboli teplotní rozvrstvení a to pak důsledně udržovat. Za tím účelem byly vyvinuty speciální zásobníky s vestavbami, které zavádějí vodu z kolektorů do odpovídající výškové úrovně podle teploty tak, aby např. voda s teplotou 60°C byla vypouštěna do úrovně, kde je opět 60°C. Jiný systém pak má solární výměník na dně zásobníku a ohřátou vodu pak vestavbami vede do vyšších teplotních úrovní. Pro dobrou tepelnou účinnost solárního systému jsou tyto zásobníky nutností, neboť mohou zvýšit výtěžnost solárního zisku o 15 - 20% za rok.

Nízkoteplotní systémy nejsou citlivé na stratifikaci, a proto vestavby nejsou nutné. Rozdíl teplot mezi spodní a horní částí zásobníku je nízký, a proto postačí odebírání chladnější vody do kolektorů ze spodní části objemu a přívod teplé vody z kolektorů pak do horní části. Tím se zjednodušuje řešení a současně snižuje cena, zvláště když jde o beztlaké systémy. Jedná se zde hlavně o High-Flow systémy t.zn. s vysokým průtokem média.

Pro orientaci je uvedena tabulka slunečních intenzit během roku v porovnání s potřebou tepla pro vytápění. Z denních solárních zisků a také měsíčních součtů vyplývá nutnost akumulace tepla.

Období	Energie		Podíl (%) vůči		Potřeba tepla (%)
	KWh/m2	MJ/m2	Letnímu období	Celému roku
Leden	22	80	13,17	2,24	16,91
Únor	36	130	21,56	3,33	11,93
Březen	83	300	49,70	7,68	12,11
Duben	117	420	70,06	10,82	8,48
Květen	150	540	89,82	13,88	5,10
Červen	167	600	100,00	15,45	2,54
Červenec	167	600	100,00	15,45	2,54
Srpen	136	500	83,33	12,86	2,54
Září	100	360	59,88	9,25	4,25
Říjen	56	200	33,53	5,18	5,98
Listopad	25	90	14,97	2,31	12,92
Prosinec	19	70	11,38	1,75	14,70
Celý rok	1081	3890	-	100,00	100,00

Akumulace tepla
Principy ukládání tepla se rozlišují podle zvoleného fyzikálního principu. Využíváno může být citelné teplo, latentní teplo nebo termochemické reakce. Cílem solárních zásobníků je dosáhnout co nejvyššího využití zachycené energie. Jelikož o účinnosti solárních systémů nerozhodují jen kvalitní kolektory, ale zvláště účinné zásobníky, budeme se jimi více zabývat. V podmínkách České republiky mají největší význam krátkodobé zásobníky, které pracují s časovým překlenutím jednoho až několika dnů. Mají nejvýhodnější poměr investičních nákladů i získané energie.

U krátkodobých zásobníků se využívá jak citelného tak latentního tepla (fázové změny), u dlouhodobých akumulátorů pak pouze citelné teplo.

A) KRÁTKODOBÉ ZÁSOBNÍKY
Hovoříme-li o větších solárních systémech (nad 50 - 100 m² abs. plochy), pak zásobníky jsou nádoby tlakové, nebo beztlaké. K přestupu tepla ze solárního okruhu dochází v deskových výměnících, umístěných vždy mimo vlastní nádobu. Výhodou je vysoký měrný prostup tepla a tím i nízká cena teplosměnné plochy. Objem zásobníků se pohybuje od několika m³ a po desítky m³, teploty pak vždy do 100°C, což umožňuje použití beztlakých zásobníků.

Beztlaké nádoby
Beztlaké nádoby jsou vzhledem k množství uskladněného tepla vůči tlakovým nádobám relativně levné. Také náklady na jejich provoz jsou nižší, jelikož nevyžadují odborný dohled. Prostým porovnáním finančních nákladů lze za stejnou cenu uskladnit v beztlaké nádobě dvakrát až pětkrát více tepelné energie. Tepelné ztráty jsou nižší díky menšímu měrnému povrchu a nádoby plní funkci expandéru (jedná se však o větší objemy).
Ze známých způsobů akumulace se tepelná akumulace vyznačuje relativně nejvyšší účinností, neboť při ní probíhá nejméně energetických přeměn. Účinnost při přečerpávání (změna výšky) je 0,50 až 0,75, akumulace stlačeného vzduchu 0,39 - 0,52, tepelná akumulace 0,65 - 0,88. Latentní zásobníky nebyly hodnoceny.

Homogenní (promíchávaný) zásobník
Vhodný je pro systémy s vysokými průtoky média jako např. High - Flow (solární systémy), event. pro ty systémy, kdy kapalina v kolektorech a zásobníku je tatáž např. Drain - Back.

Stratifikační (vrstvený) zásobník
Jedná se o zásobník, ve kterém dochází ke gravitačnímu rozvrstvení vody podle měrné váhy, tedy teplot. Jednotlivé vrstvy si pak dále udržují rozdílné teploty, neboť tepelná vodivost vody je relativně nízká.
Při posuzování účinnosti zásobníků (poměr odebírané energie k energii získané ze slunce) bylo zjištěno při srovnatelných poměrech, že strafitikační zásobník má účinnost vyšší (47%) oproti homogennímu zásobníku (43%). Uváděný stratifikační zásobník byl pouze třívrstvý. U vícevrstvého (event. kontinuálního) zásobníku vychází účinnost ještě vyšší.
Zajímavé posouzení zásobníků bylo provedeno ve středisku Solar Energy Research Centra ve Švédsku (SERC). Do každého zásobníku byla přiváděna energie z 10 m² kolektorů stejné výroby (označení SOL). Dohřívání na požadovanou teplotu el. energií je označeno EL. Solární pokrytí z celkové potřeby energie je označeno SF a udává % podíl solární energie tab. č. 2.

Z výsledku testu je vidět, že nejlépe obstál zásobník s nejlepším vrstvením. Proto je tomuto jevu věnována zvýšená pozornost a vzniká mnoho konstrukčních provedení tzv. vestaveb.

K tepelnému vrstvení dochází tehdy, je-li teplá voda ukládána do správné části zásobníku a odběr je prováděn vždy ze spodní části. Tepelné rozvrstvení se udrží tak dlouho, dokud nedojde k promíchání vrstev. Výměna tepla mezi vrstvami je ztížena vlivem malé tepelné vodivosti vody.

Rozhodující vliv na tepelné vrstvení zásobníku mají pochody probíhající při nabíjení a vybíjení, tedy vhodná konstrukce přívodu a odvodu teplé vody.

Nabíjení zásobníku solární energií vnitřním výměníkem ve spodní třetině výšky je snadno realizovatelné, ale má tu nevýhodu, že prouděním ohřáté vody dochází vždy také k promíchání vrstev. Proto byla vyvinuta tzv. vrstvicí nabíjecí zařízení, což je trubková vestavba, kterou stoupá voda jako komínem tak dlouho, dokud nedosáhne vrstvy o stejné teplotě.

Tepelné ztráty zásobníků výrazněji zvyšuje přirozené proudění top. média do rozvodů, kde se ochlazuje a stejným potrubím (ve spodní polovině průřezu) se vrací zpět do zásobníku. Dá se tomu zabránit jednoduchým řešením buď armaturou, nebo potrubním termosifónem.

B) DLOUHODOBÉ ZÁSOBNÍKY
V důsledku energetické krize v r. 1973 se většina evropských vlád rozhodla šetřit energii a využívat intenzivněji obnovitelné zdroje energie. Od té doby usilují průmyslové státy o nezávislost na dovozu ropy.

Rychle se rozpoznalo, že velké tepelné zásobníky budou v budoucnu důležitým prvkem konceptů pro zásobování energií. Národní výzkumné aktivity vedly nejprve ve Švédsku k realizaci projektů se sezónním principem zásobníků tepelné energie. Výsledky německých výzkumů nebyly hospodářsky únosné, a proto se neuskutečnily. Doporučilo se patřičné aktivity zesílit a dále vyvíjet koncepty zásobníků s tím cílem, že se dosáhne zvýšení účinnosti a snížení nákladů.

Velkým krokem vpřed se stalo zavedení "skupiny VII" v IEA (Mezinárodní agentura pro energii) v roce 1979, v programu "Sluneční topení a chlazení". To vedlo v letech 1980 až 1985 k několika ještě dnes provozovaným zařízením. V roce 1982 byl zřízen první dlouhodobý zásobník tepla v Německu - umělý zásobník tepla s říčním štěrkem při ITW ve Stuttgartu. Tento zásobník tepla je nasazen ve spojení se solárním zařízením k topení a chlazení úředních budov Stuttgartské univerzity.

Výzkumy materiálů a stavební techniky se konaly v 80tých letech. První projekty s dlouhodobými zásobníky tepla byly realizovány teprve v posledních 15ti letech. Zásobníky se provozují mezi 30° až 95°C. Aby se tato technika mohla na trhu v dohledné době uplatnit, musely by se snížit náklady a zvýšit efektivita, což předpokládá další náklady na výzkum. Pro sezónní zásobníky tepla přichází v úvahu jako médium kromě vody také přirozený materiál (zemina). Rozhodnutí o užití určitého typu zásobníku závisí především na místních poměrech, na objemu a zvláště na geologických a hydrogeologických poměrech zeminy toho určitého místa. K minimalizaci tepelných ztrát musí mít zásobníky tepelnou izolaci a prokazovat malý poměr povrchu k objemu (P/O - poměr).

Velikost zásobníku je vždy určitým kompromisem mezi technickým návrhem a investičním nákladem. Při zvětšujícím se objemu klesají měrné ztráty, ale investiční náklad stoupá. Zde jsou míněny abs. plochy kolektorů několik set až tisíc m². Organizovat takové projekty je však v současné době náročné. Ideální je využít stávajících nádrží, které postačí upravit a utěsnit (fólie). V České republice je to málo využívaná možnost, avšak vyplatí se hledat tyto příležitosti již při vytváření investičního záměru.

Technika dlouhodobého ukládání tepelné energie se nachází dosud ve vývoji. Zatím neexistuje žádný standardní koncept.

Konkrétní typ zásobníku musí vždy ladit s navrženým solárním systémem. V opačném případě se snižují roční solární zisky. Měřítkem by neměla být investiční cena, nýbrž solární výnosy, opakující se 25 - 30 let.

Pozn.:
Podrobnější informace o zásobnících, ať krátkodobých nebo sezónních, jsou uvedeny v Topenářství instalace č. 6/2003 str. 46 - 55.
Část výše uvedených údajů je z tohoto časopisu.