Vytápění Sluncem
O vytápění podporovaném sluneční energií se již nahovořilo hodně. Pokud je kladen požadavek roztáhnout období využitelnosti kolektorů i do zimních měsíců, pak je jednoznačným závěrem nutnost používat takové kolektory, které si i při nižších venkovních teplotách udrží vysokou účinnost, a které mají tepelné zisky i při nepřímém ozáření difuzním zářením při zatažené obloze.
Udržení dobré účinnosti, při rozdílu alespoň 60 K mezi teplotou venkovního vzduchu a střední teplotou kolektoru, je zásadní požadavek. Není důvodu, proč by kolektor nemohl přinášet tepelný zisk za slunečného dne, i když venku mrzne. Podmínkou je, aby z kolektoru potřebně teplá teplonosná látka vycházela. Na jedné straně je tedy nutné zajistit soulad mezi průtokem kolektoru a tepelným ziskem od slunečního záření tak, aby se protékající látka ohřívala na potřebnou teplotu. Na druhé straně stojí nutnost použít takový kolektor, který to umožní.
Řízení výkonu solárního čerpadla podle požadované teploty solární kapaliny k vytápění není úloha, kterou zvládnou běžné solární regulátory. Tato úloha je realizovatelná moderními regulačními prvky, například s vestavěnou funkcí ekvitermní křivky a s využitím EC čerpadel řízených signálem 0 až 10 V.
Pokud je venkovní teplota –15 °C a požadovaná teplota otopné vody pro vytápění 55 °C, pak je zapotřebí kolektor, který má i při teplotní diferenci větší jak 70 K přijatelnou účinnost. Požadavek při vyšších teplotních rozdílech plní nejlépe vakuové trubicové kolektory, o něco hůře nejlepší ploché kolektory. Účinnosti běžných plochých kolektorů, určených pro sezonní přípravu teplé vody, jsou při nízkých intenzitách slunečního záření, a rozdílu teplot okolo 60 K, již prakticky nulové. To neznamená, že jsou tyto kolektory špatné, s nízkou kvalitou, ale vzhledem ke svým technickým vlastnostem jsou pro podporu vytápění málo významné.
Příklady tepelných výkonů některých solárních kolektorů, v závislosti na jejich účinnosti, jsou na obr. 1. Plnou čarou jsou zachyceny průběhy při vysoké intenzitě slunečního záření 800 W/m2, kterou lze očekávat v jasných letních dnech, čárkovanou čarou při intenzitě 400 W/m2, kterou lze očekávat v přechodných obdobích. V zimním období půjde o intenzity menší, i pod 100 W/m2, ale když už je celá solární soustava instalována, tak je každá získaná kWh přínosem. Pokud srovnáme tepelný výkon hi-tech trubicového kolektoru CPC (válcový absorbér, Sydney trubice, s dvojitým parabolickým zrcadlem) s výkonem dobrého plochého kolektoru při rozdílu teplot 25 K, tak nevidíme rozdíl. Je tedy zřejmé, že při takto malém rozdílu teplot rozhoduje jen cena za m2 kolektoru. Odtud pramení všeobecný názor, že špičkové vakuové kolektory jsou zbytečně drahé a jejich použití je neopodstatněné. Pokud se posuneme s rozdílem teplot na 50 K, například při venkovní teplotě 0 °C, na grafu již vidíme rozdíl řádově 90 W/m2 ve prospěch kolektoru CPC, tedy přibližně o dvacet procent vyšší výkon. V běžných podmínkách přípravy teplé vody to znamená jen možnost instalovat o 20 % menší plochu na stejný výkon, ale pro vytápění jde o zásadní informaci.
Protože do výroby tepla ze Slunce nechceme zapojovat nakupovanou energii, je nutné, aby solární soustava dokázala dodávat teplo o teplotě požadované napojeným zařízením. Při přípravě teplé vody to znamená teplotu alespoň okolo 50 °C. Většina solárních soustav pro přípravu teplé vody se koncipuje s ohledem na nižší účinnost jednodušších typů solárních kolektorů při vyšších teplotních rozdílech, a proto vždy pracují s předehřevem, tedy stavem, kdy je rozdíl pracovních teplot kolektoru nižší a použité kolektory mají vyšší účinnost. Předehřev je zde možný, protože přitékající pitná voda může mít v zimě teplotu přibližně i jen 2 °C. Takže při nižší intenzitě slunečního záření, a nízké venkovní teplotě, je předehřev teplé vody, například i jen z 10 °C na 25 °C přínosem, ale hlavně je možný.
Pokud jde o podporu vytápění, tak mnohem méně přichází v úvahu částečný předehřev otopné vody jako analogie předehřevu teplé vody. Protože teplota zpátečky otopné vody leží výše, i u velkoplošného podlahového vytápění. Pokud by teplota zpátečky, například 25 °C, vyhovovala při venkovní teplotě 0 °C, tak výstupní teplota z kolektoru by měla být řádově alespoň okolo 40 °C, aby se pokryl pracovní spád výměníku mezi solární soustavou a otopnou soustavou a ještě zbyl teplotní spád na zvýšení teploty zpátečky. Požadovaná teplotní diference okolo 40 K již znamená pro řadu konstrukcí kolektorů významný pokles účinnosti a nereálnost jejich využití při nižších intenzitách záření.
Pokud má být splněn záměr významně podporovat vytápění sluneční energií, pak kolektory musí mít dostatečnou účinnost i při ještě vyšších teplotních diferencích. V tomto směru jsou trubicové vakuové kolektory s parabolickým zrcadlem vhodné, neboť špičkové konstrukce těchto kolektorů jsou, i při menší intenzitě slunečního záření 250 W/m2 a teplotní diferenci 75 K, schopné pracovat s ještě zajímavou účinností okolo 40 %, tedy tepelným výkonem 100 W/m2. CPC kolektory s dvojitým parabolickým zrcadlem, které zvyšuje intenzitu záření dopadajícího na absorbér v době, kdy na kolektory sluneční záření nedopadá kolmo, mají prodlouženou dobu, po kterou mohou dodávat teplejší teplonosnou látku ať již přímo pro vytápění, nebo pro ukládání přebytků do zásobníku. Významným přínosem možnosti využití vysoké teplotní diference je nejen přímé využití pro vytápění, ale i možnost uložení aktuálního přebytku tepla do zásobníku s vyšší teplotou, tedy s vyšším využitím zásobníku.
Pro posouzení energetického zisku slunečních kolektorů je důležitá zeměpisná poloha, orientace, ale i výše diskutovaná teplotní diference mezi střední teplotou kolektoru a teplotou venkovního vzduchu. Významným tržním signálem, hovořícím o technické úrovni a kvalitě kolektoru, je značka Solar Keymark. Aby výsledky zkoušek kolektorů byly lépe pochopitelné zákazníkům, zavedlo se hodnocení kolektorů podle jejich energetického přínosu, zahrnujícího simulaci celého roku – tzv. solar keymark output calculator. Obrázek 3 ukazuje možný roční solární výnos v kWh na m2 hrubou plochu několika druhů konstrukcí kolektorů v lokalitě Würzburg při jižní orientaci, sklonu 30° a teplotní diferenci mezi okolím a střední teplotou kolektoru 60 K (červeně) nebo 80 K (modře). Do přehledu je pro zajímavost zahrnut i fotovoltaický panel, jehož výstupem je elektrická energie. Údaje uvedené v grafu odpovídají plnému využití získaného tepla při daných podmínkách.
Otopná voda v solárním kolektoru
Požadavek ochránit solární kolektor v zimě proti poškození mrazem vede k použití nemrznoucí směsi, a z použití nemrznoucí směsi vyplývá požadavek vřazení teplosměnného výměníku. Lze se bez výměníku, který vyžaduje zvětšení teplotní diference, obejít? Provozní zkušenosti dokazují, že to jde. Soustavy, které mají být využitelné i zimě, musí být velmi pevné a odolné proti stagnaci při přebytku tepla v létě. Zajistit dlouhodobou funkci a odolnost i proti výpadku elektřiny a cirkulačních čerpadel, není s nemrznoucími směsmi pro vysokovýkonné kolektory dosud možné. Jedinou možností je jako teplonosnou látku použít vodu, která netrpí teplotní degradací, jako nemrznoucí směsi. Nevýhodou je nutnost do solární soustavy, pokud nestačí sluneční záření, dodávat malé množství tepla, aby voda nezamrzla. Od roku 2004 narostl počet solárních soustav, pracujících pouze s vodou, na již impozantních cca 50 tisíc. Jak velkých soustav, tak i malých pro rodinné domy. Vysoká účinnost vakuových kolektorů při větších teplotních rozdílech znamená velmi nízké tepelné ztráty jak při využití kolektorů pro zisk tepla, tak při jejich provozu s vodou v zimě. Na základě měření v klimatické komoře při –25 °C byl již v roce 2003, pro malá solární zařízení, stanoven podíl ztráty solárního zisku okolo 2 až 4 %. Na od roku 2007 podrobně sledovaném solárním zařízení závodu FESTO v Stuttgart/Esslingen s 1300 m2 kolektorů představuje dodávka tepla do kolektorů, která je chrání proti zamrznutí, méně než 2 % a na dosud největším zařízení ve Welsu/Rakousko se tento podíl během první zimy 2012/2013 pohyboval okolo 1 %. S možností dosažení vyšších teplot vysokovýkonnými kolektory souvisí možnost zmenšení zásobníku, tedy i jeho ceny, které se podílí na kompenzaci vyšší ceny za kolektory.
Pro bezpečný dlouhodobý provoz je nutná velká mechanická odolnost kolektorů, neboť musí odolávat velkému počtu stagnačních stavů, jejichž celková doba během roku může dosahovat i 800 hodin. CPC kolektory společnosti Ritter mají maximální provozní tlak 7 bar, což znamená, že mohou dodávat vodu při teplotě až 160 °C.
Zásady návrhu
Konečného uživatele zajímá výsledek. V simulačním programu Polysun byla testována soustava pro rodinný dům se 160 m2 obytné plochy v lokalitě Pforzheim/SRN. V pasivním domě lze s 10 m2 vysoce výkonných kolektorů a zásobníkem 1100 litrů dosáhnout 60 % solární pokrytí tepla, ve standardním domě (U = 0,5) stále ještě zajímavých přes 25 %. Zvýšení objemu zásobníku s takto malou plochou kolektorů nemá praktický význam. S dvojnásobně větší plochou kolektorů 20 m2 lze se zásobníkem okolo 4000 litrů dosáhnout 50 % solárního pokrytí v nízkoenergetickém domě. Zvětšení plochy kolektorů je efektivnější než zvětšování objemu zásobníku, jak ukazuje obr. 4.
Pokud jsou použity vysokovýkonné kolektory s vyšší tlakovou odolností, umožňující dodávku vody s vyšší teplotou, musí být této teplotě zcela zásadně podřízen i výběr všech ostatních prvků soustavy, tedy tepelné izolace, těsnění, ventilů, aj.
Obr. 5 • Vliv lokality na roční stupeň solárního pokrytí, pasivní dům, 20 m2 kolektorů (CPC-VRK Star Azzurro Plasma) a zásobním 1100 litrů (Aqua EXPRESSO)
Závěr
Poznatky z praxe, porovnání s řadou existujících a provozovaných domů se solární soustavou pro podporu vytápění, ukazují, že s vodou jako teplonosnou látkou a s vysokovýkonnými vakuovými trubicovými kolektory lze dosáhnout o cca 10 až 20 % vyšší solární pokrytí energetické potřeby vytápění a přípravy teplé vody domu ve srovnání s jinými druhy kolektorů při stejné ploše a se stejným zásobníkem. Obráceně řečeno to znamená, že jiné kolektory by musely mít dvoj až čtyřnásobně větší plochu pro dosažení stejného pokrytí, přičemž taková plocha ani nemusí být k dispozici, nehledě na to, že ani vlastnosti jiných kolektorů, zejména účinnost, nemusí být postačující.
Voda, jako teplonosná látka, je oproti nemrznoucí směsi mnohonásobně levnější, ekologická a při odpařování v kolektoru při stagnaci nepodléhá teplotní degradaci. Proto může soustava pracovat s vyššími teplotami se zmenšeným požadavkem na velikost zásobníku. Takto koncipované solární soustavy jsou nejvhodnější pro bytové domy, penziony, hotely aj.
Při návrhu nelze pominout skutečnost, že o stupni využití slunečního záření nerozhoduje jen solární soustava, ale i parametry napojené otopné soustavy. Čím nižší teploty vyžaduje, tím lépe.
upraveno podle článku Heizen mit der Sonne, Dr. Rolf Meissner, Ritter XL Solar GmbH., časopis SHT 4/2013