Solární termické soustavy v bytových domech
Příspěvek popisuje zkušenosti s problematikou instalace solárních termických soustav v bytových domech. Po obecném popisu návrhu jsou na dvou konkrétních realizacích ukázány ta nejzásadnější doporučení, která je vhodné dodržet pro správné fungování systému.
Rekonstrukce a provoz bytových domů v režimu NZEB 14.11.2018 v Praze
Zkušenosti s dodávkami solárních systémů pro BD (přednáška v ppt)
Úvod
Masivnější rozvoj instalací solárních soustav v bytových domech můžeme datovat do období let 2009 a 2010, kdy byl pro tyto aplikace k dispozici neopakovatelně štědrý dotační program Zelená úsporám. Od té doby došlo v tomto segmentu trhu prakticky k zastavení instalací, neboť investoři z řad společenství vlastníků jednotek, bytových družstev, či majitelů bytových domů vyčkávají, zda se objeví nějaká nová forma finanční podpory realizace solární termické soustavy. Mezi lety 2011 až do dnešních dnů se realizace dají počítat v jednotkách instalací. V minulém a letošním roce je sdělovacími prostředky anoncována výzva v rámci programu Nová zelená úsporám (dále NZÚ), týkající se právě bytových domů. Ačkoli v době psaní tohoto příspěvku autor nemá k dispozici přesné znění podmínek výzvy, lze předpokládat, že zájem o instalace se v dohledné době výrazně zvýší. Je dobré si tedy „připomenout“ některé zásady návrhu, vlastní realizace i následného provozu solárních termických soustav na bytových domech.
Návrh solárního systému
O projektantských postupech návrhu kolektorové plochy i vlastního solárního systému bylo napsáno mnoho odborných článků a popsány veškeré výpočtové postupy. Upřímně řečeno, vlastní návrh kolektorové plochy nejvíce určují právě podmínky dotačního programu. Jejich splnění de facto omezuje výpočet na relativně úzké pásmo, ve kterém jsou všechny podmínky splněny. Uvažujme, že podobně jako ve výzvách pro rodinné domy budou hodnotícími kritérii minimální měrné solární zisky, minimální celkové využitelné zisky, případně u soustav pouze pro přípravu teplé vody minimální solární pokrytí. Tyto parametry omezují jak minimální velikost kolektorové plochy (celkové zisky, pokrytí), tak maximální velikost kolektorové plochy (měrné solární zisky). Doufejme, že nastavení těchto kritérií povede k instalacím dle těchto obecných zásad:
- Získat od investora co nejpřesnější vstupní data – spotřeby vody, požadované teploty, informace o stavu a používání cirkulace, spotřeby tepla a stávající způsob ohřevu atd.
- Návrh kolektorové plochy vede k minimalizaci letních přebytků, tím se maximalizuje měrný solární zisk a solární soustava pracuje s lepší ekonomikou a zákazníkovi se vyplácí její provoz (často i bez dotací – pozn. autora). Bezpřebytkový resp. téměř bezpřebytkový provoz velkoplošných solárních soustav navíc vede k provozu bez jakýchkoli technických problémů, jako je např. lokální stagnace vinou nižších průtoků v kolektorových polích. Ve variantách bez letních přebytků také vychází rozumná velikost akumulace, kterou lze do objektů bez potíží umístit.
- Veškeré aplikace budou moci fungovat i jako předehřev bivalentnímu zdroji. Tzn. teplo vyrobené solárním systémem bude využito v dané technologii o teplotě, kterou od kolektorů dostaneme. Za léta praxe jsem viděl instalace, kdy teplo ze solárního systému bylo využito pouze v případě splnění požadované teploty. Tento hrůzný způsob pracoval tak, že třícestný ventil zavřel přívod teplé vody z centrálního zdroje a otevřel cestu přes solární akumulaci. Jak dlouho stála voda v solárním zásobníku a jakou teplotu měla, se v instalaci neřešilo, prostě jakmile teplota dosáhla 55°C, putovala k odběru. Je vždy nutná součinnost a vzájemná propojenost solárního systému s bivalentním zdrojem a hlavně využitelnost solárního tepla i o nízkých teplotách, neboť to je situace, kdy celá soustava pracuje s nejlepší možnou účinností.
Výběr vhodného příslušenství
Uchycení kolektorů
Návrhem kolektorů to pouze začíná. V další části projektu je nutné zvolit vhodnou konstrukci pro uchycení kolektorů, což vzhledem k rozmanitosti kotvících prvků různých dodavatelů kompletních solárních soustav nebývá problém. Ovšem vlastní roznášecí konstrukce na plochých střechách bytových domů by měla vždy projít statickým posouzením. Bytové domy s plochou střechou bývají v mnoha případech solitérními stavbami převyšujícími okolní zástavbu. Působení větru na střechách takových objektů je značné a žádá si individuální přístup. Vlastní materiál roznášecí konstrukce musí bezpodmínečně splňovat požadavky na životnost celého systému. Konstrukce by měla na střeše vydržet stejnou dobu jako kolektory a nejlépe bez jakýchkoli zásahů. Doporučením je předepisovat minimálně pozinkované ocelové konstrukce přímo v projektu. Následně je potřeba investora upozornit na to, že investiční náročnost konstrukce a uchycovacích prvků může tvořit značnou část z celkové ceny zakázky (odhadem často více než 20%). Pokud tedy v cenových nabídkách potenciálních dodavatelů bude cena konstrukce v jednotkách procent z celkové ceny, je potřeba se na tuto položku aktivně zaměřit a ověřit jednáním a nezávislým propočtem serióznost takové cenové nabídky.
Výměník tepla
Je důležité odpovídající množství tepla v kolektorech vyrobit, tzn. použít kvalitní sluneční kolektory. Je však neméně důležité být schopen toto teplo v technologii v co největší míře předat. U bytových domů, kde kolektorové plochy dosahují několika desítek, někdy i stovek metrů čtverečních se jako nejlepší možné řešení jeví použití deskových výměníků tepla. K tomuto doporučení jsou dva dobré důvody. Prvním důvodem je výrazně vyšší součinitel prostupu tepla deskového výměníku, která dovoluje na relativně malé ploše přenášet velké výkony s tím, že volba velikosti je plně na projektantovi. Velikost výměníku není nijak vázaná na použitý druh akumulace. V případě, že bychom využívali trubkových výměníků integrovaných v zásobnících, jsme odkázáni na velikost danou výrobcem. Druhý důvod souvisí s prvním, a to tak, že v případě správné volby velikosti výměníku lze upravit průtokové poměry v solárním okruhu. Dokonce takovým způsobem, že návrhový průtok solární soustavou lze výrazně snížit (low-flow soustavy). Tím pádem i dimenze potrubí a armatur, velikost oběhových čerpadel a dalších prvků vyjde výrazně optimálněji z pohledu investice, což je u rozsáhlých rozvodů na bytových domech pro investora více než zajímavá optimalizace investice.
Akumulace tepla
Celkový objem určený pro solární teplo vychází z kolektorové plochy, která vychází z potřeby tepla. Kruh návrhu se tedy v tomto místě uzavírá. Akumulaci je však vhodné volit nejen z pohledu dostatečného objemu, ale také s ohledem na skutečnost, že solární kolektor má nejvyšší účinnost při nejnižší střední teplotě absorbéru. V bytových domech je nutno prakticky vždy rozdělit akumulaci do více zásobníků. Důvodem je světlá výška stropů a velikostí prostupů, kterými lze zásobníky do kotelny dostat. S vědomím předchozího tvrzení o účinnosti je dobré nabíjet a následně vybíjet zásobníky postupně. Prioritou bude ohřev zásobníku, který je nejblíže spotřebě/dohřevu (na Obr.1 je to pozice1) a dále bude priorita ohřevu klesat směrem ke vstupu studené vody. Tímto najdeme v akumulaci vždy tzv. „chladné místo“, kde můžeme uplatnit solární teplo i při nižších intenzitách slunečního záření, nebo při polojasném dni.
Obr. 1 Příklad zapojení akumulace se dvěma solárními zásobníky v soustavě pro přípravu teplé vody.
Ohřívaná voda jednotlivými zásobníky protéká sériově. Zásobníky musí být vybaveny vstupem a výstupem o dostatečné dimenzi, tak aby bylo možno jimi „prohnat“ i večerní odběrové špičky.
Solární soustava pro přípravu teplé vody
Při dodržení výše uvedených zásad se jedná o celkem jednoduché, smysluplné, funkční a bezpečné opatření pro realizaci úspor v bytovém domě. Jako příklad můžeme uvést soustavu instalovanou na bytovém domě v Praze 8.
Obr. 2 Solární termická soustava pro přípravu teplé vody na bytovém domě v Praze 8
V domě je 50 bytových jednotek, je instalováno 40 ks kolektorů tj. celková plocha apertury 100 m2, celkový roční využitelný solární zisk naměřený na výměníku tepla je 51.000 kWh/rok. Tato hodnota je průměrným ročním ziskem za pět let. Tomu tedy odpovídá měrný zisk 510 kWh/m2.rok. Toto vysoké číslo měrného zisku souvisí s relativně nízkým pokrytím cca 32%, při spotřebě teplé vody oscilující mezi 4-5 m3/den. Bivalentním zdrojem je domovní předávací stanice CZT. Nejslabším místem této instalace je cirkulace teplé vody, která je bez izolací a není možné jí teplotně řídit, neboť nebylo provedeno hydraulické vyvážení stoupaček. Teplené ztráty cirkulačního rozvodu jsou částečně hrazeny solárním systémem pomocí přepínání cirkulace do solární akumulace třícestným ventilem (na Obr. 1 je to pozice 5). Investor zatím na předkládaná data o spotřebě tepla cirkulací nereaguje, neboť bezproblémový a komfortní provoz a generované úspory mu zatím dostačují.
Solární soustava pro přípravu teplé vody a přitápění
Na stávajících byť zateplených bytových domech bylo provedeno spoustu výpočtů a návrhů kombinovaných solárních soustav pro přípravu teplé vody a přitápění. Výsledky však příliš optimismu o vhodnosti právě takového úsporného opatření nedávají. Při dodržení první podmínky projektování o tvorbě soustav bez letních přebytků vychází solární pokrytí takových soustav hluboko pod 10%. Pokud zvětšíme kolektorovou plochu, začínají výrazně naskakovat letní přebytky, které snižují měrné solární zisky, a tím rychle klesá ekonomická výhodnost celé soustavy, nehledě na možné provozní komplikace v letním období. Navíc se začíná objevovat problém s nedostatečnou dispoziční plochou na střechách objektů, zvláště u tzv. bodových panelových domů (domy s malou zastavěnou plochou a velkým počtem podlaží). Právě u těchto soustav tedy bude velmi záležet na nastavení dotačního programu. Podmínky určí, zda vůbec bude možné takové soustavy v nějakém větším počtu budovat. Jako vždy však existují výjimky. V programu Zelná úsporám v roce 2009 byla realizována zajímavá kombinovaná solární soustava na bytovém domě v Rajhradě. Jednalo se však o novostavbu bytového domu v pasivním standardu, tedy s nízkým podílem vytápění na celkové potřebě tepla (izolace pláště budovy, stavební detaily a nucené větrání s rekuperací).
Obr. 3 Kombinovaná solární termická soustava pro přípravu teplé vody a přitápění na bytovém domě v Rajhradě
Nejprve opět data o aplikaci. Jedná se o dvě nezávislé, úplně stejné instalace na domech sousedících spolu jednou společnou stěnou. Ideové schéma na Obr. 3 ukazuje tedy jednu kotelnu v jednom domě se dvěma vchody. Dům má 50 bytových jednotek, je instalováno 50 ks plochých kolektorů o celkové ploše apertury 116 m2, celkový roční využitelný solární zisk naměřený na výměnících tepla je 52.000 kWh/rok. Tato hodnota je opět průměrným ročním ziskem za pět let. Tomu tedy odpovídá měrný zisk 448 kWh/m2.rok. Zajímavou hodnotou je solární pokrytí, které (stanoveno výpočtem z předpokládané energetické náročnosti bez solárního systému) činí cca 26%, což je na kombinovanou soustavu skutečně vysoké číslo. K této instalaci se váže jedna zajímavost. Ze schématu je patrné, že akumulace pro vytápění je společná pro solární systém i instalovaná tepelná čerpadla země/voda (na Obr. 3 označena AKU). Toto řešení bylo zvoleno z toho důvodu, že bylo předpokládáno, že většinu solárních zisků se využije příprava teplé vody. Detailním monitoringem a průběžnou optimalizací provozu jsme zjistili, že je pro celou technologii netradičně mnohem výhodnější dát prioritní ohřev solární soustavou právě do této nádrže. Díky relativně malému objemu (1000 l) této akumulační nádrže a bohatě dimenzovanému výměníku (na Obr. 3 označen SOL/TOP) lze nádrž za slunečného dne ve velmi krátkém čase (cca 1 hodina) ohřát a udržovat na požadované teplotě 65°C a to i v otopném období. To je teplota, která bezpečně drží v nečinnosti bivalentní zdroje a díky opět bohatému dimenzování výměníku (na Obr. 3 označen AKU/TV) je vyzkoušeno, že teplo stačí pokrývat dopolední a odpolední odběr teplé vody. Během celého dne tak ostatní zdroje stojí a solární zásobníky pro teplou vodu (2x 1500 l) jsou ohřívány z nízké teploty s maximální účinností a pokrývají večerní odběrovou špičku teplé vody. S lehkým přimhouřením oka lze tvrdit, že tyto dva domy nepotřebují během jasného dne žádné jiné teplo, než ze slunce.
Závěr
Na příkladech je ukázáno, že není složité navrhnout, vybudovat a provozovat solární soustavu na bytovém domě. Neplatí to však u všech bytových domů bez výjimky, dokonce lze tvrdit, že v případě kombinovaných solárních soustav bude vhodných adeptů na instalaci menšina. Pokud však vybereme ty správné domy, osvícené investory, kterým třeba pomůže i nějaká motivace formou příspěvku na investici, můžeme tvořit spolehlivé systémy a přispívat rozvoji udržitelné technologie. Nejvíce se o nových technologiích můžeme dozvědět tím, že je delší dobu budeme provozovat.
Regulus byl založen roku 1992 v Praze a od té doby se podařilo vybudovat stabilní ryze českou firmu, která dnes celkem zaměstnává, i ve svých dceřiných společnostech, téměř 180 kvalifikovaných pracovníků. Jedná se o dynamicky se rozvíjející firmu ...