Inteligentní budovy ve světě:
Print

Solární systémy pro ohřev vody v budovách

-- Úterý, 19 březen 2013

Sluneční energie je zadarmo a patří k obnovitelným zdrojům. Přemýšlíte nad ohřevem vody v budově prostřednictvím solárních systémů? Jaký potenciál slunečního záření můžete vůbec využít? Jak v praxi fungují solární systémy na ohřev vody?

Jako solární energii označujeme energii, která dopadá na Zemi ve formě záření ze Slunce. Je uvolňována termonukleárními reakcemi na Slunci a je na Zemi „dopravována“ ve formě elektromagnetického záření v širokém rozsahu vlnových délek. Pro nás je nejvýznamnější oblast záření v rozsahu přibližně 400 až 650 nm; záření těchto vlnových délek je totiž pro naše oči viditelné. Kromě toho tvoří nejvíce energie – asi 75 % z celkového množství.

Energie ze Slunce je nejvýznamnějším primárním zdrojem energie pro biosféru, tedy pro veškerý život na Zemi, i pro technosféru, to jest naši civilizaci. Od energie Slunce je odvozena velká většina v praxi využívaných energetických zdrojů, tj. vítr, proudící voda, biomasa a v podstatě také fosilní paliva. Ta jsou vlastně „energetickou konzervou“, v níž je obsažena energie slunečního záření, které zachytily rostliny před miliony let. Jediný významnější využívaný zdroj energie nemající svůj původ v energii Slunce je energie jaderná.

Dostupnost solární energie

Solární energie je dostupná všude, existují však značné rozdíly mezi jednotlivými lokalitami. Kolik energie lze ze slunečního záření získat, záleží na následujících faktorech:

1. Zeměpisná šířka – největší množství záření dopadá na Zemi v oblastech okolo rovníku a nejméně u pólů.

2. Roční doba – v letním období za jasného dne dopadne na 1 m2 plochy orientované na jih 7 až 8 kWh, při oblačném počasí jen přibližně 2 kWh. V zimě za slunečného počasí jsou to jen 3 kWh a při oblačném počasí pak méně než 0,3 kWh.

3. Místní klima, oblačnost – za jasné oblohy pronikne na povrch Země přibližně 75 % od Slunce přicházejícího záření, tj. asi 1 kW/m2 , při zatažené obloze je to pod 15 %, tj. méně než 200 W/m2. Také znečištění atmosféry a některé lokální vlivy, jako je výskyt přízemní mlhy, ovlivňují množství energie, které lze ze slunečního záření získat.

4. Sklon a orientace plochy, na niž sluneční záření dopadá – je zřejmé, že maximální výkon ze slunečního záření získáme na ploše kolmé k dopadajícím paprskům. Optimální je proto natáčet zařízení za Sluncem tak, aby paprsky dopadaly stále kolmo.

V praxi se to dělá spíše výjímečně; je to drahé. Zpravidla se solární kolektory osazují se sklonem přibližně 45° k jihu, což zaručuje optimální celoroční zisk.

K čemu lze solární energii využívat

Za více než padesát let rozvoje využití solární energie se našlo mnoho zajímavých možností jejího využití, ale jen relativně málo z nich přešlo do praxe. V zásadě přicházejí v úvahu následující možnosti:

1. Přeměna slunečního záření na teplo (termální systémy)

2. Přeměna na elektrickou energii (fotovoltaické systémy)

3. Přeměna na mechanickou energii

4. Přeměna na chemickou energii

5. Využití fotochemických účinků slunečního záření V tomto článku se podrobněji zaměříme na termální využití solární energie, především k přípravě teplé vody v budovách.

Reálná využitelnost solární energie

V praxi nedokážeme využít všechnu solární energii, která se nám nabízí. Praktickou využitelnost ovlivňuje řada faktorů; nejvýznamnější jsou asi následující tři:

1. Účinnost systémů, kterými energii zachycujeme a přeměňujeme, je vždy menší než 100 %. V případě ohřevu teplé vody bývá průměrná účinnost kolektorů kolem 30 až 40 %.

2. Existuje nepoměr mezi momentální nabídkou solární energie a okamžitou potřebou. Nejvíce energie na topení například potřebujeme za dlouhých zimních nocí, ale největší nabídka solární energie je v horkém létě (obr. 1). Naproti tomu užitkovou vodu je třeba ohřívat po celý rok, a proto je použití solárního systému na jen na ohřev vody výhodnější. Při ohřevu vody používáme k překlenutí krátkodobých výkyvů akumulační zásobník, zpravidla je ale akumulace omezena jen na dobu maximálně několika dní.

3. Solární energie má poměrně malou plošnou hustotu, a tak rozměry zařízení pro její využití musí být úm ěrně velké. P roto je většina s olárních systémů i relativně finančně náročná. Významným limitujícím faktorem je tedy doba návratnosti investice. Z tohoto důvodu zpravidla neděláme solární systémy tak velké, aby nám pokryly celou potřebu energie, ale optimalizujeme je tak, aby se nám investice do nich v rozumné době vrátila, nebo aby alespoň nebyla doba návratnosti delší, než je doba životnosti systému.

Obr. 1

 

Solární systémy pro ohřev vody

Získat ze slunečního záření teplo není žádný problém, postačí k tomu jakýkoli matně černý povrch. Základním problémem všech termálních solárních systémů je zabránit tepelným ztrátám a co nejvíce získaného tepla odvést do akumulačního zásobníku. Problém snížení tepelných ztrát a zajištění akumulace se rozhodujícím způsobem podílí na ceně solárních systémů.

Hlavní části solárního systému:

- Kolektor, který (jak název napovídá) záření „sbírá“ a promění je v teplo.

- Zásobník, v němž je teplo uloženo pro pozdější potřebu.

- Transportní systém, který teplo převádí z kolektoru do zásobníku nebo přímo do místa potřeby (rozvody, čerpadlo, ventily apod.).

- Regulační zařízení, které zajišťuje, aby teplo přecházelo z kolektoru do zásobníku a ne naopak.

- Záložní zdroj tepla, který pokryje spotřebu v době bez slunečního svitu.

Ne vždy musí být všechny tyto součásti přítomny; patrně nejjednodušším systémem ohřevu vody je černě natřený zásobník (solární sprcha na obr. 2 nebo plastový kolektor a vak). Takovéto zařízení je levné, ale má některé zásadní nevýhody:

- velké tepelné ztráty a tedy malou účinnost a nemožnost uchování ohřáté vody po delší dobu,

- zařízení musí být umístěno tam, kde svítí slunce, a ne tam, kde bychom vodu potřebovali, - nelze je používat v zimním období, kdy hrozí zamrznutí.

Obr. 2

 

Podstatného snížení tepelných ztrát v době bez slunečního svitu dosáhneme oddělením kolektoru a zásobníku. Pokud je kolektor umístěn pod zásobníkem, tak není třeba žádného čerpadla ani regulačního zařízení, protože v době slunečního svituproudí voda z kolektoru do zásobníku samotížně. Pokud slunce přestane svítit a teplota v kolektoru se sníží, oběh vody ustane a zásobník, pokud je dobře izolovaný, vychládá jen velmi pomalu. V Izraeli a středomořských zemích se takovéto jednoduché systémy (obr. 3) používají často.

U nás se k ohřevu vody nejčastěji používají takzvané aktivní solární systémy, kde se k transportu tepla z kolektoru do zásobníku používá čerpadlo, v zásobníku je výměník tepla a kolektorový okruh je naplněn nemrznoucí kapalinou. Kolektor pak může být na střeše, kde není zastíněn, a zásobník ve sklepě, kde nevadí jeho váha a rozměry, nebo v koupelně, což minimalizuje tepelné ztráty v rozvodech teplé vody. Potrubí od kolektorů k zásobníku má poměrně malý průměr a jeho délka nehraje velkou roli. Tyto výhody jsou pochopitelně zaplaceny vyšší pořizovací cenou aktivního solárního systému.

Obr. 3

 

Praktické provedení solárního systému na ohřev vody

Kolektory

Základní a nejdůležitější částí solárního systému jsou kolektory. Existuje několik různých konstrukčních typů. Nejčastěji se rozlišují podle toho, jakým způsobem sluneční záření dopadá na absorbér:

• kolektory ploché – plocha absorbéru je stejná jako plocha kolektoru, do níž vstupuje sluneční záření,

• kolektory koncentrující – absorbér je menší a vstupující záření je na něj soustředěno zpravidla zrcadlem z lesklého plechu. U plochých kolektorů se nejčastěji používá absorbér z plechu s vytvořenými kanálky, jimiž proudí teplonosná kapalina. Vlastní provedení se liší podle jednotlivých výrobců, nejběžnější je typ „trubka v plechu“ (položka 4 a 5 na obr. 4).

Bez ohledu na konstrukční provedení plní všechny druhy absorbérů svou základní funkci, tj. zachytit dopadající záření a přeměnit je na teplo, zhruba stejně dobře. Podstatně větší rozdíly jsou v tom, jak dokážou zabránit tepelným ztrátám, tedy jaký poskytnou užitečný výkon, respektive jakou mají účinnost. Abychom mohli vybrat optimální typ kolektoru pro dané použití, je třeba porozumět tomu, jaké má vlastnosti a na čem závisí jeho účinnost.

 

 

Obr. 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Účinnost kolektoru, tj. podíl užitečného tepelného výkonu, který z kolektoru získáme, a výkonu slunečního záření, které na kolektor dopadá, je dán vztahem:

 

 

 

 

Zde je . účinnost, . j e k oeficient absorbce (udává jaký podíl záření je pohlcen absorbérem), . je koeficient propustnosti zasklení (udává, jaký podíl záření projde krycím sklem na absorbér), E je intenzita slunečního záření ve W/m2, U je součinitel prostupu tepla z absorbéru do okolí a tm – ta je rozdíl mezi střední teplotou absorbéru a venkovní teplotou.

 

Jak je vidět, účinnost se skládá ze dvou členů. První člen v rovnici se nazývá optická účinnost; ta závisí jen na vlastnostech absorbéru ( jehopohltivosti) a zasklení (jeho propustnosti). Čitatel v druhém členu rovnice popisuje tepelné ztráty; ty závisí na tom, jak dobře je absorbér izolován a jaký je rozdíl teplot mezi absorbérem a okolním vzduchem. Ve jmenovateli druhého členu je pak intenzita slunečního záření. Podíl (tm – ta)/E se někdy nazývá redukovaná teplota a charakterizuje vlastně vnější podmínky, v nichž kolektor pracuje. Čím je rozdíl teplot menší a čím je intenzita slunečního záření větší, tím jsou podmínky příznivější, relativní velikost tepelné ztráty menší a účinnost větší. Tento vztah se většinou vyjadřuje graficky ve formě účinnostní křivky.

 

Lze říci, že tam, kde kolektor pracuje jen s malým teplotním rozdílem, je pro jeho účinnost důležitý první člen v rovnici, tj. je třeba, aby absorbér byl co nejvíce černý a případné zasklení co nejvíce propustné. Pokud naopak má kolektor pracovat s velkým rozdílem teplot mezi absorbérem a okolím (například ohřívat vodu v zimě v horské chatě), pak je naopak důležité, aby tepelné ztráty kolektoru byly co nejmenší. Dobře se uplatní například vakuové kolektory se selektivní vrstvou na absorbéru (viz níže). Nejjednodušší kolektor (např. na ohřev bazénové vody), který je tvořen samotným nezakrytým absorbérem, se ani v létě nevyhřeje na více než nějakých 60 °C (teplota chodu naprázdno, stagnační teplota). Při této teplotě se tepelné ztráty a bsorbéru r ovnají t epelným z iskům z e slunečního záření a užitečný výkon kolektoru je nulový.

 

Pokud potřebujeme vyšší teploty a větší účinnost, musíme absorbér vhodným způsobem izolovat. Izolovat zadní stranu absorbéru je jednoduché, stačí na to použít několik centimetrů minerální vaty a tepelná ztráta poklesne na zlomek původní hodnoty. Podstatně obtížnější je to na přední straně, kam dopadá sluneční záření. Zde potřebujeme nějaký druh transparentní izolace, což je problém (ani ne tak technický, jako spíše finanční). Teplo se z této strany absorbéru do okolí přenáší v zásadě třemi způsoby (stejně jako např. mezi skly okna):

 

- konvekcí, tj. prouděním ohřátého vzduchu,

 

- radiací, tj. vyzařováním v dlouhovlnné infračervené oblasti spektra (tepelné sálání),

 

- kondukcí, tj. vedením tepla vzduchem.

 

Nejvýznamnější jsou ztráty konvekcí, menší jsou ztráty radiací a nejméně významné jsou ztráty kondukcí.

 

Nejjednoduší způsob, jak snížit ztrátu konvekcí, je zakrýt absorbér jedním nebo více skly. Vzhledem k tomu, že sklo nepropouští dlouhovlné infračervené záření, dojde současně i k omezení radiačních ztrát. Každé krycí sklo ale sníží množství záření, které dopadá na absorbér (optickou účinnost kolektoru) velmi přibližně o 10 %. Z tohoto důvodu se zpravidla používá zakrytí jen jedním sklem. Úplného zrušení tepelných ztrát konvekcí i kondukcí se dá dosáhnout tím, že z okolí absorbéru odstraníme vzduch. K významnému omezení konvekce stačí snížit tlak na úroveň pod 100 Pa, pro odstranění ztrát kondukcí je ale třeba použít vysoké vakuum (pod 0,001 Pa).

 

Radiační ztráta se dá výrazně snížit pomocí takzvaného selektivního povrchu. Běžná matně černá barva sice dobře absorbuje sluneční záření, ale současně neméně dobře i teplo vyzařuje. Selektivní povrch je v oblasti viditelného a blízkého infračerveného záření černý a pohlcuje více než 90 % slunečního záření, ale v dlouhovlnné infračervené oblasti spektra se chová jako kovově lesklý, nevyzařující povrch (vyzařuje méně než 20 % tepla ve srovnání s černou barvou). Tyto povrchy jsou obvykle tvořeny velmi tenkou vrstvičkou se směsí kovu a oxidu kovu (CERMET), která má vysokou pohltivost pro dopadající sluneční záření, tj. záření ve viditelné a blízké infračervené oblasti slunečního spektra, a vysokou odrazivost a tedy malou schopnost vyzařování v oblasti dlouhovlnného infračerveného záření. Takovou vrstvu lze na povrchu hliníku vytvořit například anodickou oxidací (eloxováním) s přídavkem sloučenin niklu; takto jsou vyráběny kolektory HELIOSTAR v Žiaru nad Hronom. Dnes nejběžnější technologií je vakuové, respektive magnetronové napařování. Takto se vyrábějí např. hojně využívané selektivní povrchy Tinox nebo Sunselect. Vakuové napařování má výhodu i v tom, že lze vytvářet vícevrstvé struktury, které umožní dosáhnout vysoké pohltivosti slunečního záření a současně velmi malé hodnoty tepelného vyzařování. Použitím dvou vrstev s různým obsahem kovových částic a antireflexní vrstvy na povrchu lze docílit zachycení 96,5 % dopadajícího slunečního záření při pouze 3,5 % tepelném vyzařování. Selektivní povrch nepůsobí znatelné snížení pohlcené energie, protože v oblasti dlouhovlnného infračerveného záření přichází ze Slunce jen asi 1 % energie – spektrum dopadajícího a vyzařovaného záření se téměř nepřekrývá (obr. 5).

 

Další způsob, jak snížit tepelné ztráty absorbéru, je zmenšit jeho rozměry při zachování toku slunečního záření, tj. použít koncentrátor. Pokud je například tepelná ztráta z čtverečního metru absorbéru 500 Wa na absorbér dopadá 1000 W, pak je získaný užitečný výkon 500 W. Soustředíme-li těchto 1 000 W na absorbér, který bude mít polovinu plochy a tedy ztrátu jen 250 W, získáme užitečný výkon 750 W.

 

Pokud zkombinujeme výše uvedené možnosti, tj. absorbér opatřený selektivní vrstvou a umístěný ve vakuu a případně na něj ještě soustředíme záření koncentrátorem, dostaneme ideální kolektor, jehož tepelné ztráty jsou velmi nízké, a který bez potíží dosáhne vysoké teploty i v zimních podmínkách s malým množstvím slunečního svitu. Nevýhodou je vyšší cena, v posledních letech ale ceny vakuových kolektorů (dovážených převážně z Číny) znatelně poklesly.

 

 

Obr. 5

 

 

 

 

 

Zásobníky

 

Ve většině solárních systémů pro ohřev vody musí být zařazen vhodný zásobník, který uchová ohřátou vodu na dobu, kdy ji budeme potřebovat. Zásobník má na výslednou účinnost solárního systému přinejmenším stejně velký vliv jako kolektory, a proto je třeba věnovat jeho výběru patřičnou pozornost.

 

Teplo lze uložit tak, že v zásobníku dochází k ohřátí kapaliny nebo tuhé látky na vyšší teplotu bez změny skupenství. Využívá se takzvané „citelné“ teplo (sensible heat). Nejlepší náplň zásobníku je voda, která má největší měrné teplo z dostupných látek. Druhá možnost je využití takzvaného skupenského tepla tání tuhé látky tající ve vhodném tepelném rozmezí (např. parafin nebo některé mastné kyseliny). Výhodou je, že můžeme uložit více tepla při menším tepelném rozdílu, nevýhodou je složitější konstrukce a vyšší cena. Vzhledem k tomu, že účinnost kolektorů s rostoucí teplotou klesá, je výhodné ohřívat větší množství vody na nižší teplotu, tedy použít větší zásobník; ten také umožní v případě potřeby akumulovat teplo na více dní. Velký zásobník má ovšem i nevýhody: s velikostí zásobníku roste jeho cena, obtížněji se hledá prostor k jeho umístění a rostou jeho tepelné ztráty. Zásobníky mají v dnešní době poměrně kvalitní tepelnou izolaci z polyuretanové pěny, nicméně u běžného 300 litrového zásobníku je tepelná ztráta někde mezi 50 a 100 W, což není vůbec zanedbatelné. Výhodné je umístit zásobník na takové místo, kde se tyto tepelné ztráty dají nějak využít. Ideální je z tohoto hlediska patrně koupelna. Na našem trhu jsou převážne zásobníky využívající jako akumulační látku vodu. Jedním z významných tuzemských výrobců solárních zásobníků u nás jsou např. Družstevní závody Dražice.

 

Regulační zařízení

 

Základní funkcí tohoto zařízení je zapínat čerpadlo v době, kdy teplota na výstupu z kolektorů převýší teplotu ve spodní části zásobníku. V zásadě je to jednoduchý diferenční regulátor teploty se dvěma čidly (v zásobníku a na výstupu z kolektorů). Aby nedocházelo k příliš častému zapínání a vypínání, má regulátor určitou hysterezi, tj. teplotní rozdíl mezi zapnutím a vypnutím.

 

Kromě této základní funkce se do regulátorů integrují ještě další pomocné a zabezpečovací funkce, jako je ochrana před přehřátím zásobníku (například pomocí spouštění čerpadla v noci a vychlazování přes kolektory, měření tepla dodaného solárním systémem, regulace dohřívání vody v zásobníku plynovým kotlem v době, kdy nesvítí slunce apod. Výhodné je, když je regulace solárního systému (hlavně tam, kde slouží i k přitápění) integrována s regulací dalších zdrojů tepla – v „inteligentních“ budovách se používají řídicí zařízení, která umějí najít optimální způsob, jak využívat teplo ze všech zdrojů, které jsou k dispozici, a zásobovat všechny spotřebiče tepla s ohledem na nastavené priority.

 

Další součásti solárního systému

 

V aktivních solárních systémech je vedle kolektorů, zásobníku s výměníkem a regulátoru ještě řada dalších prvků:

 

- Potrubí od kolektorů do zásobníku – používají se téměř výlučně měděné trubky a fitinky.

 

- Čerpadlo – často se používají čerpadla pro vytápěcí systémy. Běžná již jsou čerpadla s elektronickým řízením otáček, které umožňuje lépě přizpůsobit průtok vody kolektory intenzitě slunečního svitu. Zajímavým řešením je použití čerpadla s motorem na stejnosměrný proud, napájeného z vhodně dimenzovaného fotovoltaického panelu. Takový systém se může obejít i bez regulace podle teploty; čerpadlo se spustí, když dosáhne intenzita slunečního svitu určité úrovně, a průtok vody je v jistých mezích úměrný intenzitě slunečního svitu, jde tedy o samoregulační systém.

 

- Různé ventily, zpětná klapka apod. Volitelným, ale v inteligentních budováchrozhodně doporučovaným příslušenstvím je průtokoměr, který ve spojení s vhodným regulátorem umožní měřit množství tepla získaného solárními kolektory.

 

Pracnost montáže solárního systému snižuje integrace jednotlivých komponentů solárního okruhu a zásobníku do jednoho modulu – nazývá se obvykle solární čerpadlová jednotka. Schéma celého solárního systému je na obr. 6.

 

Dimenzování a ekonomika solárního systému

 

Pro dimenzování solárních systémů lze využít různé programy určené pro projektanty a firmy, ale i jednoduché kalkulátory, z nichž některé jsou na internetu dokonce zdarma. Některé solární kalkulátory najdeme na stránkách firem zabývajících se výrobou solárních kolektorů nebo poradenskou činností.

 

 

Obr. 6

 

 

 

Na začátku jsem uvedl, že jednou z nevýhodných vlastností solárních systémů je poměrně vysoká cena a dlouhá návratnost investice. To byl také důvod, proč se na solární systémy dávaly dotace. Vlastní výpočet doby návratnosti není tak úplně jednoduchý ani příliš spolehlivý, protože je třeba počítat s růstem cen energie a mírou inflace, respektive časovou hodnotou peněz, což je v delším časovém rozmezí trochu problém. V poslední době ceny solárních systémů klesaly, což má na dobu návratnosti příznivý vliv. Lze říci, že tam, kde solární systém nahrazuje ohřev vody elektřinou, je návratnost rozumná, tj. v řádu 10 let.

 

Autor článku pracuje jako energetický poradce.

Autor: Karel Murtinger

 
Digitální vydání
Reklama

Navštivte rovněž

  •   Katalog  
  •   Kalendář událostí  
  •   Video  

Katalog

Schneider Electric CZ,s.r.o.
Schneider Electric CZ,s.r.o.
U Trezorky 921/2
158 00 Praha 5
tel. +420 281 088 111

REM-Technik s. r. o.
REM-Technik s. r. o.
Klíny 35
615 00 Brno
tel. 548140000

Loxone, s.r.o.
Loxone, s.r.o.
U Staré trati 1775/3
370 11 České Budějovice
tel. +420 380 429 000

YATUN, s.r.o.
YATUN, s.r.o.
V Olšinách 75
10000 Praha
tel. 222364491

Insight Home, a.s.
Insight Home, a.s.
Antala Staška 30/1565
14000 Praha 4
tel. +420 603 52 50 50

všechny články

Kalendář událostí

Automatizace a modernizace pivovarů 2019
2019-01-24 - 2019-01-24
Místo: Hotel Luční bouda, Pec pod Sněžkou
DIAGO 2019
2019-01-29 - 2019-01-30
Místo: Orea Resort Devět Skal ***, Sněžné - Milovy
Roboty 2019
2019-01-30 - 2019-02-01
Místo: Brno, hotel Avanti
Úspory v průmyslu
2019-03-05 - 2019-03-05
Místo: Hotel STEP ****, Praha
AMPER 2019
2019-03-19 - 2019-03-22
Místo: Výstaviště Brno

Video



Proměna staré textilky v Kanadě na výkladní skříň energetické účinnosti

Proměnit starou opuštěnou textilku v Montrealu na jednu z nejmodernějších staveb světa s vysokou energetickou účinností. To byl společný cíl globálního specialisty na řízení energie Schneider...

všechny video
Reklama






Anketa

Která z následujícího oblastí je nejblíže Vaší oblasti zájmu?

automatizace
elektroinstalace
mechanika
vodoinstalace
bezpečnost a monitorování
správa a řízení
zelené budovy

O nás   |   Reklama   |   Mapa stánek   |   Bezplatné zasílání   |   RSS   |   Partneři   |   
Copyright © 2007-2018 Trade Media International s. r. o.
Navštivte naše další stránky
Trade Media International s. r. o. Trade Media International s. r. o. - Remote Marketing Továrna - vše o průmyslu Control Engineering Česko Řízení a údržba průmyslového podniku Inteligentní budovy Almanach produkce – katalog firem a produktů pro průmysl Konference TMI