Pasivní domy

Solární tepelné soustavy

5. 7. 2013

Solární tepelné soustavy využívají fototermální přeměnu energie slunečního záření v tepelnou energii v solárních kolektorech a teplo je odváděno zpravidla do tepelného kumulátoru pro využití v době potřeby. Návrh solárních soustav pro budovy musí zohledňovat místní potřebu energie, teplo získávané kolektory ze střechy nebo fasády se využívá přímo v budově. U některých realizací se lze setkat s napojením solární soustavy do místní sítě centralizovaného zásobování teplem. 

 

Vlastním zdrojem tepla jsou solární kolektory, které lze rozlišit podle druhu teplonosné látky (vzduchové, kapalinové) nebo konstrukčního uspořádání (nezasklené, zasklené, ploché, trubkové jednostěnné, trubkové dvojstěnné Sydney). Výkon a účinnost solárních kolektorů jsou oproti většině jiných tepelných zdrojů významně závislé na provozních podmínkách, proto nelze parametry solárních kolektorů uvádět bez bližšího popisu provozu. Podobně obtížně lze rozhodnout, zda je určitý typ kolektoru lepší než jiný bez zohlednění účelu jejich použití. Obecně platí, že s nárůstem provozní teploty rostou tepelné ztráty kolektorů a jejich účinnost klesá. Nezasklené kolektory se vyznačují vysokou optickou účinností, avšak na druhé straně vysokými tepelnými ztrátami, výrazně ovlivněnými rychlostí proudění okolního vzduchu. Jsou proto vhodné především pro nízkoteplotní aplikace do 35 °C. Naproti tomu u kvalitních solárních kolektorů s nízkými tepelnými ztrátami (selektivní absorbér, vakuový kolektor) klesá účinnost s rostoucím teplotním spádem výrazně méně, nicméně např. trubkové vakuové Sydney kolektory dosahují v oblasti nízkých teplot účinností nižších než nezasklené bazénové rohože. Speciálním druhem solárních kolektorů jsou kolektory koncentrační, které využívají optických prvků (reflektorů, čoček) pro soustředění přímého slunečního záření na absorbér. Česká republika však nemá pro širší uplatnění kolektorů s vysokými stupni koncentrace vhodné podmínky.

Solární teplo je využitelné v podstatě v jakékoli aplikaci, která teplo potřebuje. Nicméně je vždy nutné mít na paměti, že vzhledem k dostupnosti slunečního záření během roku je solární teplo v naprosté většině aplikací ve funkci spořiče energie či paliva s omezeným pokrytím potřeby tepla, nikoli hlavního zdroje tepla. Přínosy solárních tepelných soustav jsou charakterizovány jejich celkovými zisky využitými pro krytí potřeby tepla. Využité solární zisky nejsou závislé pouze na kvalitě navržených komponent (kolektor, zásobník), na tepelných ztrátách soustavy (rozvod potrubí, solární zásobník) a na orientaci a sklonu solárních kolektorů, ale také významně na návrhu plochy solárních kolektorů vzhledem k potřebě tepla, resp. na požadovaném pokrytí potřeby tepla. U solárních soustav se jako srovnávací kri- téria energetické kvality určují zejména měrné roční tepelné zisky vztažené k instalované ploše solárních kolektorů a solární pokrytí potřeby tepla tepelnými zisky solární soustavy. Solární teplo je využitelné v podstatě v jakékoli aplikaci, která teplo potřebuje. Nicméně je vždy nutné mít na paměti, že vzhledem k dostupnosti slunečního záření během roku je solární teplo v naprosté většině aplikací ve funkci spořiče energie či paliva s omezeným pokrytím potřeby tepla, nikoli hlavního zdroje tepla. Přínosy solárních tepelných soustav jsou charakterizovány jejich celkovými zisky využitými pro krytí potřeby tepla. Využité solární zisky nejsou závislé pouze na kvalitě navržených komponent (kolektor, zásobník), na tepelných ztrátách soustavy (rozvod potrubí, solární zásobník) a na orientaci a sklonu solárních kolektorů, ale také významně na návrhu plochy solárních kolektorů vzhledem k potřebě tepla, resp. na požadovaném pokrytí potřeby tepla. U solárních soustav se jako srovnávací kritéria energetické kvality určují zejména měrné roční tepelné zisky vztažené k instalované ploše solárních kolektorů a solární pokrytí potřeby tepla tepelnými zisky solární soustavy.

Provozní účinnost solární soustavy lze zjednodušeně stanovit vydělením měrného zisku hodnotou roční dopadající energie na plochu kolektorů 1 000 kWh/(m2·a) platné pro ČR. Vzhledem k nestejným klimatickým podmínkám a různým úrovním dopadající sluneční energie se bude v různých lokalitách a v různých letech hodnota využitých tepelných zisků solární soustavy lišit, avšak účinnost celé solární soustavy zůstává přibližně stejná bez ohledu na klimatické podmínky. Účinnost soustavy je ovlivněna podobně jako měrné zisky nejen kvalitou použitých prvků, orientací a sklonem kolektorů, ale také návrhovou hodnotou solárního pokrytí. Obecně u solárních soustav platí, že čím vyšší je solární pokrytí potřeby tepla solární soustavou, tím nižší měrné zisky a účinnost soustava vykazuje. Podrobnější informace o navrhování a hodnocení solárních tepelných soustav lze nalézt v literatuře [23].

Využití sluneční energie pro předehřev a přípravu teplé vody je výhodné díky celoročně přibližně konstantní potřebě tepla. Solární soustavy pro přípravu teplé vody proto mají dobrou využitelnost, jsou rozšířené a známé a veřejností jsou vnímány jako smysluplné opatření. Solární soustavy pro přípravu teplé vody jsou kromě obytných budov vhodné i pro využití v terciárním sektoru, např. pro ústavy sociální péče, domovy důchodců, hotely, sportovní centra apod., kde je celoročně stálá potřeba teplé vody nebo i s výraznými špičkami odběru v letním období. Solární tepelné soustavy pro rodinné domy se projektují zpravidla s pokrytím potřeby tepla 50 až 70 % a dosahují měrných ročních zisků 300 až 400 kWh/(m2·a). Velkoplošné solární soustavy pro přípravu teplé vody jsou navrhovány na krytí potřeby tepla v letním období za účelem vyloučení problematických stagnačních stavů ve velké ploše kolektorů. Z toho vyplývá nižší návrhové pokrytí do 45 % a vyšší měrné tepelné zisky 400 až 600 kWh/(m2·a).

Stále větší uplatnění v budovách nacházejí solární soustavy sdružující přípravu teplé vody a vytápění, tzv. solární kombinované 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), výhodným pro efektivní provoz solárních kolektorů. 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. Zpravidla ekonomicky přijatelné jsou roční hodnoty pokrytí do 30 % celkové roční potřeby tepla pro přípravu teplé vody a vytápění. Poža- dovaná hodnota solárního pokrytí ovlivňuje návrh zařízení a jeho energetické přínosy. Při vyšších hodnotách pokrytí je nutné zvážit možnosti dalšího využití letních zisků (bazén, sušení, solární chlazení). 

Solární kombinované soustavy pro rodinné domy lze pořídit jako průmyslově vyráběné a dodávané kom plety, nebo jako soustavy dodané na objednávku, vyznačující se různým stupněm originality v závislosti na požadované funkci a dalších využívaných zdrojích tepla. Vlivem snížené využitelnosti letních přebytků energie se pohybují měrné tepelné zisky malých solárních kombinovaných soustav na úrovni 250 až 350 kWh/(m2·a). Velkoplošné solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění nejsou zatím tak častým řešením jako soustavy určené pouze pro přípravu teplé vody. Využívá se velkoobjemového solárního zásobníku tepla nebo více zásobníků tepla o menším objemu s ohledem na jejich dopravu  umístění. Návrh se s ohledem na omezení letních přebytků zpravidla koncipuje pro letní krytí potřeby tepla na přípravu teplé vody, nicméně v přechodovém období se solární teplo výhodně využívá pro ohřev vratné otopné vody. Tomu odpovídají také z principu vyšší měrné využité zisky solární soustavy od 350 do 450 kWh/(m2·a).

Vzhledem ke skutečnosti, že maxima dopadajícího slunečního záření v letním období téměř korespondují se špičkami tepelné zátěže v budovách, zdá se smyslu plné využívat solárního tepla pro pohon sorpčních chladicích jednotek pro produkci chladu. Soustavy solárního chlazení tak mohou omezit problémy přenosových sítí vlivem letních odběrových špiček způsobených provozem elektricky poháněných kompresorových chladicích jednotek. V letním období, kdy mají solární kombinované soustavy pro přípravu teplé vody a vytápění výrazné přebytky energie vlivem sníženého odběru tepla, je možné nadbytečnou tepelnou energii ze solárních kolektorů využít pro produkci chladu v solárních kombi-plus soustavách (teplá voda, vytápění, chlazení). U solárních chladicích soustav sloužících pouze pro chlazení jsou vzhledem k omezenému sezónnímu využití chladu a požadavku vysokých provozních teplot teplem poháněných chladicích zařízení typické zisky 150 až 250 kWh/(m2·a) tepla a 100 až 150 kWh/(m2·a) chladu. Nicméně při vhodné kombinaci soustav pro vytápění, chlazení a přípravu teplé vody, tzv. kombi-plus soustavy, lze docílit celkových přínosů více než 500 kWh/(m2·a). Využití solárního ohřevu vzduchu a použití solárních vzduchových kolektorů může výrazně snížit energetickou náročnost především v oblasti větrání, kdy je předehříván čerstvý větrací vzduch přiváděný do vnitřních prostor. V letním období však mají solární větrací soustavy omezenou využitelnost. Výhodné jsou potom hybridní kombinace s výměníky vzduch - voda pro předehřev teplé vody. Vzduchové solární kolektory je možné použít i pro účely vytápění pro ohřev oběhového vzduchu, ať již přímo přiváděného do prostoru nebo vzduchu předávajícího teplo do akumulační hmoty konstrukce budovy v hypokaustických soustavách.

Využití vzduchu jako teplonosné látky v solárních soustavách má řadu úskalí. Tepelná kapacita vzduchu je oproti kapalinám výrazně nižší a k přenesení tepelného výkonu z kolekto- rů jsou potřebné vysoké průtoky spojené s relativně velkými rozměry potrubních rozvodů. Další nevýhodou je potřeba elektrické energie svázaná s provozem vzduchových soustav, která může výrazně ovlivnit bilanci úspor primární energie při využití solárních vzduchových zařízení. V České republice se solární soustavy pro ohřev vzduchu v budovách zatím významně neuplatňují.

Solární soustavy dlouhodobě v rámci své životnosti snižují energetickou náročnost budovy a přispívají k úspoře primární energie. Vlastní solární tepelné soustavy neprodukují emise znečišťujících látek a ke své funkci spotřebovávají pouze v malé míře pomocnou elektrickou energii (oběhová čerpadla, regulace). Zatímco u malých soustav pro rodinné domy se potřeba pomocné energie pohybuje na úrovni 3 % z využitých tepelných zisků solární soustavy, u větších instalací tento podíl klesá pod 1 %.

První díl seriálu naleznete ZDE

Zdroj: Nízkoenergetické domy 3, nulové, pasivní a další; Vydavatelství Grada


Autor: Jan Tywoniak a kolektiv