Prvky solárních soustav (IV)

ÚVOD

Zásobník tepla je často nazýván srdcem solární soustavy. Z praxe vyplývá poznatek, že solární soustava se sebelepším solárním kolektorem v kombinaci s nevhodně navrženým zásobníkem bude vykazovat nízké celkové zisky, resp. zajistí nízké pokrytí potřeby tepla sluneční energií. Konstrukci a výběru zásobníku tepla pro danou solární aplikaci by měla být proto věnována zvýšená pozornost. Článek se věnuje především konstrukčním řešením běžných vodních zásobníků tepla a jejich připojení k solární soustavě. Nedělá si nárok na úplnost informací, neboť technických a konstrukčních řešení je celá řada a postihnout všechny detaily je nad rámec tohoto článku.

TEPLOTNÍ VRSTVENÍ V ZÁSOBNÍKU

Vhodné teplotní rozvrstvení (stratifikace) objemu zásobníku má významný vliv na účinnost kolektorů a na schopnost pokrýt nepravidelným solárním ziskem nepravidelnou potřebu tepla (solární podíl). Snahou je zajistit v horní části zásobníku dostatečnou teplotu využitelnou pro odběr tepla bez nutnosti dodatkového ohřevu a v dolní části udržet nízkou teplotu v místě výměníku solární soustavy (vysoká účinnost kolektoru). To lze zajistit jednak přirozeným vrstvením ve vhodně konstruovaných zásobnících bez nutnosti dalších prvků nebo řízeným vrstvením, kdy se využívají speciální prvky (stratifikační vestavby, ventily), popsané např. v [1, 2].

Přirozené vrstvení objemu zásobníku podle teploty se uplatní především při odběru teplé a přívodu studené vody. Schopnost přirozené stratifikace je dána geometrickou charakteristikou zásobníku, především jeho štíhlostí. Čím vyšší štíhlost (poměr výšky k průměru), tím lepší chování z hlediska vrstvení. Doporučovaný poměr výška/průměr je minimálně 2,5. Štíhlý zásobník zaručuje omezené míchání studené vody s teplejší ve vyšších vrstvách a udržuje dolní část zásobníku v okolí solárního výměníku při nízké teplotě. Studená oblast pak zaručuje, že i při nízké hladině slunečního záření může solární soustava pracovat s vysokou účinností. Při dohřevu horní části zásobníku (pohotovostní zásoba tepla) nedochází u štíhlých zásobníků k významnému ovlivnění spodní části vlivem konvekčních proudů. V případě dohřevu elektrickou vložkou se například vytváří velmi zřetelný "ostrý" přechod mezi částí zásobníku nad vložkou s výrazně vyšší teplotou než v části pod vložkou.

V praxi však vysoké zásobníky mohou mít problémy s instalací v místnostech s omezenou světlou výškou. Navíc je nutné vždy zohlednit příčný výškový rozměr zásobníku (při naklopení) v poměru ke světlé výšce místnosti, v níž má být zásobník instalován.

Zcela nevhodné pro použití v solární technice jsou horizontální zásobníky, které vykazují nízkou schopnost vrstvení, případně pokud jsou doplněny dodatkovým zdrojem tepla (teplovodní nebo elektrické vložka). Při dohřevu dochází k promíchání teplotního pole v zásobníku a účinnost soustavy je tak řízeně degradována.

Velký vliv na intenzitu promíchávání zásobníku má také způsob nabíjení a vybíjení zásobníku tepla (přímo přívodem teplonosné látky, nepřímo přes vestavěné teplosměnné plochy), poloha teplosměnných ploch (vložek) v zásobníku, apod. Téma si však zasluhuje hlubší rozbor v samostatném článku.

VLIV PŘIPOJENÍ POTRUBÍ

Způsob připojení potrubí přívodu a odběru otopné nebo užitkové vody ze zásobníku může výrazně ovlivnit jednak vrstvení zásobníku a jednak tepelné ztráty. Často jednoduchým konstrukčním řešením připojení potrubí k zásobníku tepla je možné tyto vlivy eliminovat.

Pro zamezení míchání objemu zásobníku přívodem studené vody při současném odběru teplé se využívají hydraulické brzdy - přepážky, které zbrzdí proud studené vody vstupující do zásobníku. Obdobnou funkci zajišťuje vhodný tangenciální přívod vstupního potrubí do zásobníku, kdy vstupující proud je brzděn o stěny v dolní části zásobníku. Další možností je připojení studené vody potrubím a přírubou o dostatečné světlosti zaručující pokles rychlosti na vstupu do zásobníku při maximálním průtoku pod 0,1 m/s.

Obr. 1 - Odběr teplé vody ze zásobníku a přívod studené vody (2a - špatně, 2b,c - dobře)

U běžných zásobníků je teplá voda odebírána v horní části a potrubí je vedeno shora do zásobníku. Při takovém řešení odběru dochází k postupnému chladnutí teplé vody, která zůstává v odběrném potrubí. Ochlazená voda se snaží dostat dolů (je těžší) do horní části zásobníku a vytlačuje do potrubí lehčí teplejší vodu (viz obr. 1a). Dochází tak k přirozenému proudění v rámci jedné trubky, což může způsobit degradaci rozvrstvení v horní části zásobníku ochlazenou vodou a tepelné ztráty tímto způsobem mohou činit až 15 % [3] z celkové tepelné ztráty zásobníku. Řešením je vést odběr teplé vody z horní části vnitřním objemem zásobníku a vyústit jej níže (viz obr. 1b,c), případně vést odběr z horní části do strany izolací zásobníku s ohybem potrubí o 180° (sifon) nebo vést odběr šikmo dolů izolací zásobníku (viz obr. 2). Taková řešení zajišťují přirozenou zpětnou klapku, kdy voda ochlazená v potrubí vně zásobníku je těžší než teplá voda uvnitř a nemůže překonat volným prouděním výškový rozdíl.

Obr. 2 - Vhodná řešení připojení přívodů a odběrů teplonosné látky (teplé vody) k zásobníku

TEPELNÉ ZTRÁTY

Zásobníky tepla by měly být dostatečně tepelně izolovány. Podobně jako u potrubí je možné se při návrhu izolace zásobníku tepla držet stále ještě platné vyhlášky [4], která stanovuje minimální tloušťku tepelné izolace zásobníků tepla 100 mm při uvažování tepelné izolace s λ ≤ 0,045 W/m.K, případně takovou, aby bylo dosaženo součinitele prostupu tepla k ≤ 0,30 W/m².K. Samozřejmě je nutné zohlednit funkci zásobníku a jeho umístění. Zásobník tepla umístěný v chladném suterénu bude vyžadovat větší tloušťky tepelné izolace než zásobník umístěný v obytné části domu, kde jeho tepelné ztráty navíc přispívají k vytápění prostoru. U zásobníků tepla pro zvláštní aplikace (velmi nízké nebo velmi vysoké rozdíly teplot mezi objemem zásobníku a okolím, dlouhodobé a sezónní zásobníky tepla) je nutné stanovit tloušťku izolace optimalizačním výpočtem. Příkladem může být nadzemní zásobník tepla pro sezónní akumulaci sluneční energie v Domě s pečovatelskou službou ve Slatiňanech. Zásobník o celkovém objemu 1100 m³ má ve svém plášti tepelnou izolaci z minerální vlny o tloušťce 70 cm (!). Tepelnou ztrátu zásobníku je možné také vyjádřit hodnotou součinu součinitele prostupu tepla a povrchu zásobníku U.A [W/K]. Celková měrná tepelná ztráta zásobníku tepla pro běžné solární aplikace by neměla přesáhnout 2 W/K. Takový zásobník při průměrném rozdílu teplot 30 K ztrácí ročně okolo 500 kWh, což odpovídá ziskům z více jak 1 m² kolektoru.

Tepelná izolace by měla být dostatečná především v horní části zásobníku, která je častěji na vyšší teplotě než spodní část, zvláště v případě bivalentních zásobníků s neustálým dohřevem v horní části. Tepelná izolace by měla tvořit dokonale přilnavý plášť. Netěsnosti ve formě vzduchových mezer, zvláště v případech odnímatelné izolace, mohou způsobit tepelné ztráty a ochlazování zásobníku prouděním vzduchu mezi izolačním pláštěm a zásobníkem. Tepelná izolace zásobníku tepla by měla být souvislá po celém povrchu zásobníku. Na obr. 3 jsou uvedeny naměřené charakteristiky zásobníku tepla, u kterého nebylo tepelně izolováno dno. Zásobník byl natopen na teplotu 72 °C a bez odběru tepla ponechán po několik dní v místnosti se špatně izolovanou podlahou (simulace suterénní strojovny). Sálání zásobníku vůči podlaze vychlazovalo spodní část zásobníku a způsobilo degradaci využitelných solárních zisků v zásobníku. Teplota ve spodní části (hladina 1) klesla během 10 hodin (přes noc) o 20 K, zatímco v horní izolované části (hladina 4-5) se příliš nemění. Během dvou dnů dosáhla teplota v dolní části 35 °C, zatímco v horní části byla stále teplota okolo 65 °C.

Obr. 3 Průběh teplot při chladnutí zásobníku tepla (objem 750 l)

STANDARDNÍ FUNKCE ZÁSOBNÍKU PŘI PŘÍPRAVĚ TEPLÉ VODY

Při přípravě teplé vody se v současné době používají dvě standardní funkce - ochrana proti legionelle a cirkulace teplé vody mezi místem odběru a zásobníkem, které mohou mít nepříznivý vliv na provoz solárního zásobníku tepla.

Požadavky na ochranu zásobníků proti množení bakterií druhu legionella platí samozřejmě i v oblasti solárních zásobníků pro akumulaci pitné vody. Teplá voda by měla být průběžně ohřívána na teplotu vyšší než 60 °C (nutnost nastavení dohřevu v horní pohotovostní části zásobníku). Přísná pravidla (např. v Německu) nařizují teplotní ochranu proti legionelle v zásobnících o objemu větším než 400 l. Jelikož zvýšená teplota v solárním zásobníku nad běžnou potřebnou mez může způsobovat tepelné ztráty zásobníku a nižší účinnosti, vede toto nařízení výrobce zásobníků k novým konstrukcím, např. "nádrž v nádrži", kde pohotovostní objem teplé vody podléhající teplotní ochraně bude mít objem menší než zmíněných 400 l, případně vestavěné trubkové výměníky pro průtokovou přípravu teplé vody.

V případě zavedení cirkulace pro zajištění komfortní dodávky teplé vody na odběrných místech je nutné si uvědomit možný rušivý vliv na teplotní vrstvení zásobníku. Pokud je vůbec cirkulace instalována je nutné vracející se cirkulační potrubí zapojit do zásobníku v oblasti těsně pod vložku dodatkového dohřevu zásobníku, nikdy do spodní části či do přívodu studené vody do zásobníku. Dimenze připojovacího potrubí a nátrubku by měla samozřejmě odpovídat nastavenému cirkulačnímu průtoku. Čím větší bude průtok, tím míň se voda v cirkulačním potrubí vychladí a tím víc bude teplota vracející se vody na úrovni teploty v horní části zásobníku. Cirkulační potrubí by mělo být samozřejmě opatřeno dostatečnou tepelnou izolací, podobně jako potrubí teplé vody. Cirkulační čerpadlo by mělo být vždy řízeno spínacími hodinami s nastavitelnými periodami provozu, případně ještě termostatem, který sníží dobu provozu cirkulace až na 10 % doby nastavené uživatelem. Tepelné ztráty cirkulací mohou v malých instalacích (rodinné domy) v případě nevhodného provozu dosáhnout 100 a více procent z celkové potřeby tepla na přípravu teplé vody.

Částečně eliminovat negativní vliv obou provozních funkcí na provoz zásobníku teplé vody je možné realizací předřazeného monovalentního akumulačního zásobníku pouze se solárním výměníkem. Výstup teplé vody je zapojen do běžného elektrického bojleru nebo plynového ohřívače, kde dochází již jen k dohřevu, tepelné ochraně proti legionelle, případně se do něj zapojuje cirkulace. Výhodou je, že solární zásobník pak pracuje v optimálních podmínkách bez rušivých vlivů. Takové řešení je vhodné především pro rekonstrukce s možností zachování stávající přípravy teplé vody. Přívod studené vody se připojí k solárnímu zásobníku a do pohotovostního ohřívače jde předehřátá voda a pouze v případě potřeby se dohřívá na požadovanou teplotu.

ODKAZY

[1] Kramoliš, P.: Zásobníky tepla. Portál TZB-info. 2004.
[2] Matuška, T.: Trendy v solární tepelné technice (V) - Zásobníky tepla. Portál TZB-info. 2005.
[3] Planning and Installing Solar Thermal Systems - a guide for installer, architects and engineers. James&James/Earthscan 2005. ISBN 1-84407-125-1
[4] Vyhláška č. 151/2001 Sb.
[5] Matuška, T., Šourek, B.: Energetické zisky a ztráty solárních soustav. Konference vytápění Třeboň 2005. Společnost pro techniku prostředí, Praha 2005.