V souvislosti s boomem fotovoltaických elektráren ztratilo Slunce jako obnovitelný zdroj v Česku velkou část své popularity. Přitom se ale zapomíná, že v našich přírodních a ekonomických podmínkách je sluneční energie využitelná především k vytápění budov a ohřevu vody.
Na našem území lze s úspěchem aplikovat všechny základní způsoby získávání tepla ze slunečního záření. Solární soustavy zde vykazují velmi dobré energetické 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 jsou, kromě obytných budov, vhodné i pro terciární sektor, např. ústavy sociální péče, domovy důchodců, hotely, sportovní centra apod., kde je v létě vyšší potřeba teplé vody.
Maloplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody v rodinných domech jsou standardně řešeny jako průmyslově vyráběné komplety. Vzhledem k běžné spotřebě teplé vody 30 až 50 l/os/den mají plochu kolektorů jen 4 až 8 m2 se solárním zásobníkem teplé vody 200 až 400 l. Malé soustavy mají jednoduché řešení, ale také výrazný podíl tepelných ztrát (20–30 %), což snižuje využitelné tepelné zisky. Zpravidla pokrývají celkovou potřebu tepla asi z 50 až 70 % a dosahují měrných tepelných zisků 300 až 400 kWh/m2/rok. Používají se 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.
Velkoplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody s kolektorovou plochou nad 50 m2 mají mezi primárním kolektorovým okruhem a zásobníkem deskový výměník. Zpravidla jsou dimenzovány jen na pokrytí potřeby tepla v letním období, tedy asi 45 % celkové spotřeby, a tak mají vyšší měrné tepelné zisky: 400 až 600 kWh/m2/rok. Lze je rozdělit 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.
Solární vytápění
Se snižováním potřeby tepla na vytápění budov (nízkoenergetické domy, energeticky pasivní domy) nacházejí stále větší uplatnění solární soustavy, které sdružují přípravu teplé vody a vytápění, tzv. kombinované solární 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). 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. Ekonomicky přijatelné jsou roční hodnoty pokrytí mezi 15 a 35 % z 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. U maloplošných soustav do 20 m2 se vlivem snížené využitelnosti letních přebytků 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 nebo externí deskový výměník pro průtokový ohřev vody.
Velkoplošné solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění nejsou zatím tak časté, jako soustavy určené jen pro přípravu teplé vody. Využívají velkoobjemový solární zásobník tepla, nebo více zásobníků tepla o menším objemu. Dodatkový zdroj tepla je zapojen buď do solárního zásobníku, nebo na jeho výstupu (dohřev). Navrhují se zpravidla pro letní krytí potřeby tepla na přípravu teplé vody, v přechodovém ročním období se solární teplo využívá pro ohřev vratné vody. Tomu odpovídají vyšší měrné tepelné zisky od 350 do 450 kWh/m2/rok. Používají se 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.
Centralizované zásobování
Solární soustavy pro centralizované zásobování teplem (CZT) pracují na stejném principu jako kombinované solární 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. 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 je 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 vody v bazénu
Ohřev bazénové vody je jednou z nejpříznivějších aplikací solárních soustav, jednak z důvodů časové korelace mezi poptávkou po teplu (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.
Technologické provozy
Zhruba třetina spotřeby tepla technologickými procesy v průmyslu i zemědělství se pohybuje v nízkoteplotní úrovni do 100 °C. Průběhy spotřeby tepla jsou závislé na typu technologického procesu (spojitý, kampaňový, různé počty směn) a využití sluneční energie průmyslovými solárními soustavami je velmi rozmanité. Jedná se často o originální řešení vycházející z místních podmínek. Vhodné technologické aplikace pro využití solárního tepla jsou zejména:
– mytí a čištění – využití v myčkách a prádelnách s teplotní úrovní 40 až 80 °C, snadná integrace při existenci stávajících vodních zásobníků;
– sušení – vzduch pro sušení může být ohříván buď přímo sluneční energií, nebo ohřátou vodou ve výměnících při teplotní úrovni 30 až 80 °C;
– pasterizace, sterilizace – využití v potravinářském a biochemickém průmyslu, aplikace vyžadují teploty 80 až 110 °C;
– předehřev doplňovací vody pro produkci páry – nízkoteplotní aplikace, velmi vhodné pro využití solárního tepla, teplotní úroveň 30 až 90 °C;
– vytápění hal – vytápění na vnitřní teploty 15 až 18 °C, použití nízkoteplotních otopných soustav (podlahové vytápění) s akumulací tepla v podlaze, fasádní kolektory pro rovnoměrný průběh solárních zisků během roku.
Rozmanitost těchto provozů neumožňuje používat standardizovaná řešení, jako např. pro ohřev vody v rodinných domech. Energetické zisky solárních soustav jsou zde značně závislé na teplotní úrovni technologického procesu a bez důkladné analýzy potřeby tepla nelze návrh a zhodnocení přínosů provést. Obecně je nejvýhodnější využití sluneční energie pro nízkoteplotní předehřev lázní či napájecí 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. Jde 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 ale řadu úskalí: 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 na provoz 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.
Klíčové informace
– V našich podmínkách se sluneční energie používá hlavně na vytápění a ohřev vody.
– Existuje řada způsobů zapojení solárních kolektorů do různých teplotních soustav.
– V moderních zemědělských provozech je solární vytápění zatím využíváno jen málo.
Doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.,
České vysoké učení technické v Praze,
Fakulta strojní,
Ústav techniky prostředí
