Úvaha nad malými solárními systémy pro přitápění
Evropská a národní politika a trendy podporující rozvoj a využívání obnovitelných zdrojů energie způsobily v poslední době velký rozmach instalací solárních systémů pro ohřev TV a přitápění v rodinných domech i u nás. O tom, zda to má smysl, jaké z toho plynou problémy, co od takovýchto systémů můžeme očekávat a jak lze tyto systémy optimalizovat, je tento příspěvek.
Ohřev TV nebo také přitápění?
Ploché kolektory nebo vakuové trubicové?
Časté otázky potenciálních investorů a každého, kdo uvažuje o instalaci slunečních kolektorů na svůj dům. Odpovědi jednotlivých "odborníků" dodavatelů se různí, jednak záleží na jejich objektivnosti a serióznosti, a pak se na tyto otázky skutečně obtížně odpovídá vzhledem k vlivu příliš mnoha faktorů. V našich klimatických podmínkách dopadá v zimní polovině roku pouze čtvrtina slunečního záření a tři čtvrtiny solárního tepla připadá na letní polovinu roku. Jak je patrné z obr. 2, hlavní poptávka po teple na vytápění se nekryje s nabídkou. Stát se svým programem "Zelená úsporám" podporoval systémy na ohřev TV v RD částkou 55 000 Kč a systémy kombinované částkou 80 000 Kč.
Základní solární soustavy pro rodinné domy stojí (včetně DPH):
- pro ohřev TV pro čtyřčlennou rodinu od 95 - 120 000 Kč
- kombinované pro ohřev TV s přitápěním od 180 - 400 000 Kč
Aby bylo smysluplné investovat do solárního systému pro přitápění, je nezbytné splnit několik základních kritérií:
- Dům musí být nízkoenergetický, pokud není, bude vždy smysluplnější investice do výměny oken nebo do zateplení fasády.
- V domě musí být také stálá spotřeba TV nebo jiné letní využití sluneční energie ze solárního systému.
- Otopná soustava v domě musí být nízkoteplotní, typická teplota zpátečky z topení musí být nižší než 40 °C, jinak nemá smysl uvažovat o solárním systému pro přitápění.
Bez těchto základních podmínek je mnohem smysluplnější pořídit si pouze solární systém pro ohřev TV, jak plyne z obr. 3, protože ohřívat slunečními kolektory kapalinu z teploty 10 °C je mnohem efektivnější, než navyšovat teplotu topné vody ze 40 °C, navíc v zimních podmínkách, s převládající difuzní složkou slunečního záření. Troufám si tvrdit, že velká část dnes instalovaných solárních systémů pro "přitápění" slouží prakticky pouze pro ohřev TV, protože jejich podíl na vytápění objektů je zanedbatelný, zejména u větších starších objektů (> 30 let, > 170 m2), které neprošly výraznější rekonstrukcí obálky budovy a otopné soustavy.
Obr. 1 - Solární systém pro přitápění [SKACELSOLAR]
Použití vakuových trubicových kolektorů je investičně dražší a ve většině případů, u kterých nejsou splněny základní kritéria z předchozího odstavce, jejich použití nepřinese kýžený a hlavně odpovídající efekt. V současné době je cena vakuových trubicových kolektorů cca dvojnásobná v porovnání s plochými selektivními slunečními kolektory. Sluneční kolektory a jejich konstrukce zaujímají cca 35 - 40% podíl v celkové ceně solárního systému, což znamená výrazné ovlivnění celkové ceny solárního systému pro přitápění při použití vakuových trubicových kolektorů. Jejich cena se vzhledem k oblíbené výrobě v Číně bude v budoucnu přibližovat k ceně plochých kolektorů, ale jejich životnost bude vždy nižší, protože se jedná o konstrukčně choulostivější konstrukci.
Trubicové vakuové kolektory je také nezbytné instalovat pod vyššími sklony pro zimní zisky, zejména s ohledem na sněhovou pokrývku, která z nich hůře sjíždí v porovnání s plochými zasklenými kolektory. Obecně doporučuji i ploché kolektory instalovat ve větších vertikálních sklonech pro lepší samočisticí efekt a ochranu proti sněhu. Nezanedbatelnou výhodou kvalitních vakuových trubicových kolek torů je každopádně jejich tvrdá účinnostní charakteristika v extrémních podmínkách a minimální tepelné ztráty, z čehož plynou žádané zimní solární zisky, kterých bychom s plochými kolektory nikdy nedosáhli.
Zajímavou variantou je kombinace plochých a vakuových trubicových kolektorů v sérii jako např. na obr. 1, kde využíváme výhod obou technologií, nejdříve vyšší optickou účinnost plochých kolektorů a pak získání požadované teploty vakuovými trubicovými kolektory, optimalizujeme tím zároveň investiční náklady.
Vakuové trubicové kolektory představují také vyšší stagnační teploty, které přinášejí vyšší stupeň provozních problémů (netěsnosti spojů, požadavek na kvalitnější teplonosné kapaliny, vyšší nároky na dilataci materiálů, atd.).
Jak zvýšit podíl solárního krytí, snížit cenu solárních systémů a zlepšit funkceschopnost?
Na obr. 5 vidíme typickou strukturu solárního systému, základní prvky ucelené technologie a jejich vzájemné vazby, které hrají nezanedbatelnou roli v tom, jaká bude skutečná výtěžnost solárního systému, jeho podíl krytí na primární spotřebě energie v domě a jaké budou také jeho provozní náklady a životnost.
Každý solární systém pro přitápění a ohřev TV zpravidla disponuje několika základními prvky, které tvoří typickou solární soustavu dnešního pojetí pro extrémní klimatické podmínky. Zjednodušeně lze solární soustavu rozčlenit na: kolektory (sluneční transformátory) - proces nabíjení - akumulaci - proces vybíjení. K tomu se vážou také velmi důležité vzájemné vazby: řízení a regulace systému nabíjení, ale také vybíjení.
Docílit lepších ekonomických výsledků u solárních systémů pro přitápění lze jednak snižováním zejména investičních nákladů při zachování kvality a účinnosti, optimalizováním jednotlivých prvků solárních systémů a také komplexním řízením a sledováním vzájemných vazeb.
1. Sluneční kolektory
Nejdražší prvek solárních systémů - sluneční kolektor je příliš přetechnizovaným prvkem. Typický plochý sluneční kolektor SK500N (GreenOneTec) je složen z 21 dílů (zasklení, těsnění, rámeček - 4 ks, vana, hlavní izolace, fólie, boční izolace, absorbér, výměník, přechody šroubení - 2 ks, závitový nýt pro uchycení - 4 ks, krytky výstupů - 2 ks, trubička pro teplotní čidlo), je to nezbytné u statického zařízení? Moderní kolektory jsou spíše strojírenské výrobky, nikoliv stavební, a i když se komponují do obálek budov, neplní sekundární funkce - zateplení, opláštění. Bohužel i sluneční kolektory komponované do krytiny jsou odvětrané a jejich zadní izolace neslouží zároveň budově, nýbrž pouze kolektoru.
 Obr. 2 - Energetická bilance solárních soustav v průběhu roku |
 Obr. 3 - Závislost teploty na skutečné využitelnosti slunečních kolektorů a jejich aplikaci |
U větších solárních systémů je vhodné použití velkoplošných kolektorů (obr. 6), jejichž cena na m2 včetně montáže a připevňovací konstrukce musí být nižší - bohužel často v porovnání s klasickým modulem 2 - 2,5 m2 není! A to pouze z marketingových důvodů a nedostatku instalací a konkurence. Dalším bonusem použití velkých modulů je navíc bezpečnost montáže a eliminace amatérských instalací.
2. Akumulace
Zásobníky se špatnou stratifikací s nevhodně použitými vývody jsou velkým nepřítelem solárních zisků. Zásobník není potřeba využívat k natápění plynovým kotlem nebo elektrickými patronami v dolní úrovni, kde se nachází solární výměník, jak se často děje. Pokud je tento využíván současně pro vytápění i ohřev TV, je třeba čerpat topnou vodu pod úrovní nezbytné rezervy tepla pro ohřev TV, nikoli shora. U nádrží je nezbytné zajistit ochranu proti zpětnému samovolnému vychlazování, abychom o drahocenné teplo ze Slunce v noci zase bez užitku nepřišli. Zpátečka z topných soustav nesmí promíchávat zásobník a ohřívat jeho spodní část.
 Obr. 4 - Základní způsoby využití slunečních kolektorů a jejich aplikovatelnost |
 Obr. 5 - Struktura solárního systému a jednotlivé vazby |
3. Řízení a regulace
Největší nedostatek vidím v chybějících vazbách mezi požadavky na teplo, odběrem tepla a solárními zisky. Současné solární a topné regulátory postrádají vlastnosti moderních regulátorů - fuzzy logiku a někdy i základní konstrukci PID regulátoru, funkce běžné v jiných odvětvích. Velmi často jsou použity dva i více regulačních prvků, které o sobě nemají žádné informace. Hodně výrobců elektroniky pro domácnost dnes nabízí "inteligentní" a "nadřazené" řídicí systémy, jejich dodavatelé chtějí převzít kontrolu nad řízením všeho, často však tyto systémy postrádají i běžné funkce základních solárních regulátorů.
Základním nešvarem je zbytečná akumulace z konvenčních zdrojů v solárním zásobníku, zejména z plynových kotlů a elektrických zdrojů. Pokud například znám díky změnám teplot v zásobníku v čase charakter odběru, nemusím zbytečně okamžitě po poklesu teploty v zásobníku zapínat sekundární zdroj, pokud k poklesu dojde ve všední den v poledne a zároveň dochází k solárnímu ohřevu. I pokud je solární systém zapojen "vše do nádrže", lze tuto nádrž nabíjet sekundárním zdrojem podle ekvitermních křivek. Pokud mám přebytek solárního tepla, nabízí se sekundární využití - včasné použití pro praní, mytí nádobí, sušení dřeva..., které může být v rezervě připravené.
Naše vlastní chování ovlivňuje solární využití také, protože lze v případě vyšších zisků využít sekundární akumulaci ve stavebních konstrukcích tím, že lze topit částečně nad rámec požadavku do otopné soustavy do podlahy apod., tím lze částečně rozšířit kapacitu akumulace a lépe využít solárních zisků, které se právě vyskytují.
Obr. 6 - Integrované velkoplošné sluneční kolektory [WINKLERSOLAR, SONNENKRAFT]
U solárních systémů platí totiž "tepelný paradox" - čím více solární energie využiji ke svému prospěchu, o to více energie ze Slunce získám pomocí identické technologie a s vyšší účinností přeměny. Tohoto poznatku zatím není příliš využíváno.
4. Servis a bezpečnost provozu
Velmi opomíjené je pravidelné sledování solárních systémů, málokterý investor si po zimě zkontroluje, zda nemá v okolí slunečních kolektorů prasklé tašky. Zanedbáním kontroly těsnosti pakovaných spojů přímo na akumulační nádrži jednomu uživateli prorezavěl shora 800litrový zásobník zabalený v izolaci během tří let. Další problém představují pasivní uživatelé, kteří ani nezjistí, že je solární systém zavzdušněn, nebo že je nefunkční oběhové čerpadlo primárního okruhu. Nezřídka je pak solární systém i několik let mimo provoz nebo nepracuje optimálně. Další riziko představují horliví uživatelé, kteří neustále upravují nastavené parametry regulátoru v domnění, že vědí lepe než dodavatelé, jak to má pracovat. Pravidelná odborná údržba je proto nezbytná.
Sluneční kolektory jsou neřízeným zdrojem tepla a použité teplonosné kapaliny a provozní tlaky umožňují zásobníky tepla teoreticky uvařit, kolik solárních instalací v ČR je proti tomuto jevu chráněno? Kolik systémů je vybaveno havarijními termostaty blokujícími nucený oběh čerpadla primárního okruhu, který je řízen diferenciálním regulátorem, který ovšem umožňuje zapnutí výstupu "natvrdo" bez řízení regulátorem?
5. Systémové řešení
Není lepší vyhnout se nesmyslnému zapojení malých kolektorových ploch (< 8 m2) v solárních systémech pro přitápění do větších zásobníků (> 0,7 m3) a s nevhodnou konstrukcí a systémovým řešením?
Obr. 7 - Solární systémy s přímým vytápěním
V těchto systémech se ve většině případů solární teplo "ztratí" nebo se vůbec ze střechy do domu k užitku nedostane. Pro "mini" solární systémy pro přitápění nabízím lepší variantu v podobě schémat na obr. 7, u kterých vyeliminujeme velkou a drahou akumulaci, systém slouží zejména pro ohřev TV a přímé vytápění. V prvním případě je celá otopná soustava plněná stejným médiem jako primární okruh solárního okruhu a v případě solárních přebytků nebo teplot již pro dohřev TV nevhodných se slunečními kolektory topí přímo do systému nebo s předehřevem hlavního zdroje tepla v domě. Druhá varianta, která se velmi osvědčila, počítá se sekundární otopnou soustavou v podobě několika topných těles v koupelnách, suterénních bytech nebo severních místnostech, které opět topíme pouze Sluncem a přímo. K tomu někdy stačí opravdu minimální teploty na kolektorech. A navíc je mnohdy žádoucí tyto prostory vytápět také v letním období, kdy je více sluneční energie.
European and national policy and trends promoting the development and use of renewable energy recently caused a boom for solar systems for DHW and heating in family houses in this country. Whether it makes sense, what are the problems for such systems since we can expect and how to optimize these systems, this post.