Solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění

Solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění

Obsah kapitoly

1. 10.1 Prvky solárních soustav
2. 10.2 Složení plochého kapalinového kolektoru
3. 10.3 Podmínky pro umístění kolektoru
   1. 10.3.1 Orientace
   2. 10.3.2 Sklon kolektoru
4. Testové otázky

Jak již bylo uvedeno, samotný kolektor bez zapojení do celého solárního systému nedokáže dopadající sluneční záření využít a přenést na místo spotřeby. Nyní si vysvětlíme podrobněji základní schéma solárního systému a popíšeme nejdůležitější komponenty. Z praktického využití nás zajímá rozdělní solárních systémů dle způsobu využití přeměněného slunečního záření. Nejčastěji se fototermické solární systémy využívají pro:

• ohřev teplé užitkové vody
• ohřev bazénů
• přitápění (možno i přímo prostřednictvím vzduchových kolektorů)
• temperaci objektů
• ve speciálních případech k technologickým procesům

Kromě běžně uváděných případů využití solárních systémů nacházejí solární systémy své místo i v netradičním použití. V zeměpisných místech, kde intenzita slunečního záření dosahuje kolem 2000 kWh/m², slouží například jako solární vařič.

V místech s nedostatkem pitné vody slouží solární systém k destilaci – odsolování mořské vody a přípravu pitné vody.

Zpět na začátek

10.1 Prvky solárních soustav

Solární kolektory jsou zařízení, které mění dopadající sluneční záření (nositel energie) na energii tepelnou. Fototermické kolektory můžeme rozdělit na základě ohřívaného média na:

• kapalinové (teplonosné médium je kapalina a slouží především k ohřevu teplé užitkové vody, ohřevu bazénů a přitápění)
• teplovzdušné (teplonosné médium je ohřátý vzduch, který slouží pro ohřev vzduchu v místnosti, temperování objektů, sušičky atd.)
• kombinované (kombinace obou výše uvedených)

Fototermické kolektory můžeme ještě dále rozdělit podle tvaru absorberu na:

• ploché (nejčastější využití na našich zeměpisných podmínkách)
• vakuové trubice (vakuum snižuje tepelné ztráty, a tím zvyšuje účinnost)
• koncentrační (Fresnelova čočka – koncentruje záření na menší absorpční plochu)

Obr. 25: Plochý kolektor

Obr. 26: Vakuový kolektor

Obr. 27: Koncentrační kolektor

Zpět na začátek

10.2 Složení plochého kapalinového kolektoru

Základními komponenty kapalinového kolektoru jsou:

• absorbér
• pouzdro kolektoru
• sklo
• izolace

Obr. 28: Kapalinový kolektor

Obr. 29: Absorbér

Absorbér – nebo je také uváděn jako jímací plocha, je vytvořen ze speciálních, nejčastěji měděných či hliníkových lamel nebo měděného plátu, které jsou pokryty vysoce selektivním spektrálním nánosem (nejčastěji speciální černá barva s příměsí skla nebo jiných krystalických látek) charakterizovaným vysokou absorptivitou a minimální emisivitou (např. α=0,96; ε=0,06) u Crystal Clear TM.

Dalšími běžně využívanými selektivními vrstvami s podobnými vlastnosti jsou např. Tinox nebo Sunselect. Tato selektivní vrstva má vyšší účinnost než obyčejná černá barva, které je daná vyšší schopností přijmout sluneční záření a současně minimální schopností ho odrazit zpět do prostředí. Další výhodou je především schopnost pohlcovat difúzní záření, které má v našich podmínkách výrazný podíl na celkovém množství dopadající sluneční energie, a tím výrazně přispívá k vysoké účinnosti systému. Lamely nebo plát jsou vysokofrekvenčně navařeny, napájeny či vlisovány na měděné trubky, v nichž proudí obvykle nemrznoucí směs. Ta zajišťuje možnost celoročního provozu kolektorů, tedy i v zimě. Absorbér je uložen do hliníkové vany či kazety složené převážně z hliníkových nebo nerezových profilů.

Pouzdro kolektoru – je v podstatě nosná část celého kolektoru. V praxi jsou využívány nejčastěji dva typy. Prvním je vana ze slitiny hliníku, do které se vkládá izolace, absorbér a speciálními lištami se upevní sklo. Druhou možností je systém hliníkových či nerezových bočních profilů (které složením vytvářejí tzv. kazetu), kdy dnem kolektoru se stává plech s izolací nebo v některých případech pevná izolace (na bázi polyuretanu s hliníkovou fólií). Sklo je upevněno podobným způsobem jako u van nebo přichyceno horním profilem.

Sklo – na výrobu plochých kapalinových kolektorů se používá speciální bezpečnostní solární sklo, které je nejčastěji 3,2–4 mm silné, kalené a vyrobené se sníženým obsahem železa a nečistot, které zhoršují propustnost světelného záření. U některých výrobců je sklo speciálně rastrované s jemnou pyramidální strukturou.

Izolace – je velmi důležitá součást kolektoru a slouží k izolaci spodní a boční části kolektoru proti úniku přeměněného tepla. Nejčastěji se používá minerální vlna nebo pevnější polyuretan.

Zásobník (bojler) – nádoba sloužící zpravidla jako tepelný výměník a zásobník TUV. Obvykle všechny solární systémy, které jsou montovány i za jiným účelem, než je jen ohřev TUV, mají alespoň malý zásobník na TUV. Ten může být dle dispozice stojatý (stojí na nohách na zemi) nebo závěsný (zavěšen na stěně či stropě).

Dále můžeme tyto zásobníky dělit dle způsobu dohřevu na:

• speciální solární (jeho účelem je pouze akumulace teplé vody. Může obsahovat vložený výměník nebo jen vstup a výstup média do výměníku externího)
• bivalentní či trivalentní – znamená, že jeden zásobník je ohřívaný ze dvou nebo tří zdrojů + vložený další zdroj dohřevu, který zajišťuje dohřev media na požadovanou teplotu v případě nedostatečného ohřevu solárním systémem. Jedná se nejčastěji o elektrickou vložku či plynovou spirálu.

Výměník – zařízení sloužící u dvouokruhového systému k předání tepelné energie mezi teplonosnou kapalinou (nemrznoucí směs) a ohřívaným médiem (voda, topná voda). Při dimenzování výměníku je velmi důležitá jeho teplosměnná plocha). V praxi se používají:

• vložený výměník (přímo v zásobníku) a to jako dvouplášť po obvodu zásobníku nebo vložený vlnovec
• externí výměník (deskový nebo trubkový)

Obr. 30: Trubkový výměník

Obr. 31: Zásobník s vloženým výměníkem

Obr. 32: Deskový výměník

Potrubní rozvody – nejčastěji jsou využívány tenkostěnné měděné potrubní rozvody s ohledem na malý hydraulický odpor a vysokou odolnost proti značnému kolísání teplot v primárním okruhu. Potrubní rozvody je nutné po celé trase izolovat, a tím zabránit zbytečným tepelným ztrátám.

Oběhové čerpadlo – slouží k zajištění proudění teplonosné kapaliny mezi solárním kolektorem a místem předání tepelné energie (zásobník, akumulace, bazén atd). Oběhové čerpadlo musí být pro správný chod přesně dimenzováno na základě požadovaného průtoku a propočítané tlakové ztráty celého potrubního rozvodu.

Zpětná klapka – zabraňuje zpětné cirkulaci v primárním okruhu v období mimo provoz slunečních kolektorů (např. v noci, kdy teplonosná kapalina odebírala teplo v zásobníku a na principu samotížné soustavy by stoupala do kolektorů, kde by se vychlazovala)

Elektronická regulace – její hlavní úlohou je řízení oběhového čerpadla s dosažením maximálního výkonu celého solárního systému. Její základní funkce spočívá v porovnávání teplot mezi teplotou v kolektoru a teplotou v zásobníku, a v případě, že je teplota v kolektoru vyšší o nastavenou hodnotu (např. 5 stupňů), sepne oběhové čerpadlo a nahřátá teplonosná kapalina je z kolektoru dopravována do místa předání (boiler, akumulace, bazén) V případě vyrovnání teplot se oběhové čerpadlo automaticky zastaví.

Expanzní nádoba – primárního okruhu – slouží k vyrovnání tlaku v primárním okruhu fototermického systému. Vlivem změny teploty media v primárním okruhu se mění tlak v systému a expanzní nádoba je jeden z prvků solárního systému, který zabrání poškození rozvodů či jiných komponent. Expanzní nádoba je obvykle nastavena na 3,5 baru. Dimenzování expanzní nádoby musí být provedeno s ohledem na velikost systému a fyzikální vlastnosti teplonosné kapaliny.

Pojistný ventil – prvek solárního systému, který slouží při zvýšení provozního tlaku v primárním okruhu k vypuštění části kapaliny na střechu objektu a tím snížení tlaku na požadovanou teplotu. V případě jeho umístění uvnitř objektu je nutné jeho svedení do otevřené nádoby nebo přímo do odpadu. Pojistný ventil se dimenzuje dle součásti s nejnižším provozním tlakem

Odvzdušňovací ventil – je umístěn na venkovní, zpravidla nejvyšší části solárního systému. Slouží k automatickému odvzdušnění primární části solárního okruhu, čímž zachovává bezúdržbový chod solárního systému. Vlivem odvzdušnění dochází k poklesu provozního tlaku, je tudíž nutné v pravidelných intervalech kontrolovat tlak a v případě potřeby primární okruh dotlakovat.

Nemrznoucí kapalina – teplonosné médium určení pro přenos tepla mezi kolektorem a místem užití (zásobník, bazén atd.). Jednou z vlastností mimo přenos tepla je skutečnost, že tato kapalina má nízký bod tuhnutí (obvykle kolem -32 stupňů Celsia) a i v tomto případě vytvoří emulzi, která nepoškodí potrubní rozvody. Tím je zajištěna možnost celoročního provozu solárních systémů.

Zpět na začátek

10.3 Podmínky pro umístění kolektoru

Při umístění kolektoru jsou rozhodující následující faktory:

1. místo instalace
2. orientace vzhledem ke světovým stranám
3. sklon kolektoru

Solární kolektory se umisťují na rovnou i sedlovou střechu, případně na uzpůsobené konstrukce na volný terén. U výškových budov lze kolektorovou plochu umístit i na fasádu. Podstatná je orientace a sklon solárního panelu. Kolektory je možno umístit na jakoukoliv střešní krytinu, ať už jde o klasické střešní tašky, šindele, plechovou nebo eternitovou střechu.

Při výběru vhodného místa na umístění kolektorové plochy bereme v úvahu minimalizaci vzdálenosti mezi kolektorovou plochou a místem transportu teplonosné kapaliny, abychom zajistili co nejmenší tepelné ztráty v rozvodném potrubí.

Zpět na začátek

10.3.1 Orientace

Nejvhodnější je jižní orientace s mírným odklonem na jihozápad (asi 15°), bez znatelného snížení účinnosti je možno jej orientovat také 15° od jihu na jihovýchod. Je to z toho důvodu , že Slunce na obloze „putuje“ (i když se samozřejmě otáčí Země, nikoliv Slunce) z východu na západ přes jih, nikoliv přes sever. Navíc odpoledne svítí déle než dopoledne, proto je vhodný mírný odklon kolektoru na jihozápad.

Jak již bylo uvedeno, samotný kolektor bez zapojení do celého solárního systému nedokáže dopadající sluneční záření využít a přenést na místo spotřeby. Nyní si vysvětlíme podrobněji základní schéma solárního systému a popíšeme nejdůležitější komponenty.

Zpět na začátek

10.3.2 Sklon kolektoru

Zde je nutno volit kompromisní řešení sklonu kolektoru vzhledem k rovině. V létě Slunce svítí více shora, proto by ideální sklon byl do 20°. V zimě však slunce svítí více z horizontu a kolektor by bylo vhodnější dát více kolmo, tedy 60–90°. Aby se kolektor nemusel umisťovat na nějaké rotační zařízení, které by celý systém prodražovalo, volí se zpravidla sklon 35–45°.

Obr. 33: Vliv orientace kolektoru na účinnost systému

Zpět na začátek

Testové otázky

Zpět na začátek