Využití solární energie v bytově-komunální sféře

Snižování energetické náročnosti budov a ekologicky přijatelnější zdroje energie s minimálním dopadem na životní prostředí – to je část z požadavků, které jsou kladeny na všechny správce nemovitostí.

Ať už se jedná o případ, kdy rodinný dům spravuje samostatná rodina, nebo dům bytový, kde o správě rozhodují různé skupiny vlastníků, směr nám udává stále více se zpřísňující legislativa, ale mnohdy i světové trendy.

Solární termické systémy patří do skupiny zařízení, která výrazným způsobem ovlivňují ekologickou stránku věci a dokážou majiteli ušetřit stovky eur. Určitou nevýhodou může být ještě i v současnosti slabší informovanost o reálných možnostech této technologie.

Častokrát se setkáváme s tím, že očekávání investorů jsou nerealistická. Jejich představy jsou zkreslené – investoři čekají, že po instalaci solárního systému vypnou kotle nebo ukončí smlouvu s dodavatelem tepla. Naopak jsou i investoři, kteří mají velmi dobrý přehled a vědí přesně, co chtějí, co mohou od této technologie očekávat a jak mají v plánu realizovat svůj záměr.

Jak se zorientovat na trhu

Když zájemce (investor) začíná uvažovat o využití slunečního záření jako zdroje energie pro svůj dům, pochopitelně hledá co nejvíce informací. Těch je v současnosti více než dost všude. Jsou to však vždy relevantní informace, na které se dá spolehnout? Není to jen nějaká reklama, která má za úkol přilákat co nejvíce zákazníků, a realita je jiná?

Těm, kteří v tom nemají zcela jasno, se následující článek pokusí objasnit, jak se lépe zorientovat v této problematice, aby se nedali nachytat různými zkreslenými reklamami a kampaněmi, které nemusí mít vždy tu správnou vypovídací hodnotu. V následujících řádcích si na příkladu nastíníme solární systém pro bytový dům, kde budeme hledat ideální počet kolektorů, a ukážeme si některá specifika při návrhu.

Hned na začátku je pro správný návrh třeba získat od investora podstatné informace ohledně energetické spotřeby domu na ohřev TUV, složení obyvatel domu (mladí, důchodci, rodiny s dětmi…), spotřeby teplé vody a dalšího. Ideální je, když investor může poskytnout vyúčtování domu za poslední 1 nebo 2 roky. Při důsledném návrhu je třeba uvažovat i se ztrátami tepla v cirkulačním potrubí, pro jednoduchost a názornost příkladu ovšem tyto ztráty zanedbáme.

Modelový příklad

Představíme si nyní na zjednodušeném příkladu návrh solárního systému pro bytový dům. Návrh systému budeme realizovat s pomocí  výpočetního simulačního softwaru T * SOL Expert. Představovaný bytový dům bude situovaný v Prievidzi a bude v něm žít 100 osob, které dohromady během dne spotřebují 4 000 litrů teplé vody (teplota teplé vody se bere v úvahu 45–50 °C). Dům není napojen na CZT, ale má vlastní plynovou kotelnu.

Střechu jsme si během osobní obhlídky důkladně prohlédli, přeměřili a máme dostatek volného místa k umístění i většího počtu kolektorů; maximální možný počet v tomto případě je 80 ks typu TS 300. Střecha je ideálně orientovaná a kolektory můžeme nasměrovat na jih se sklonem 45°. Podle složení obyvatelstva domu umíme v simulačním softwaru namodelovat průběhy spotřeby teplé vody během dne i během celého roku.

Špička spotřeby je ráno a večer

Denní spotřeba má špičky zejména ráno a večer, v době, kdy jdou lidé do práce/školy a kdy se vracejí domů. Během roku je spotřeba více méně rovnoměrná, v letním období obyvatelé spotřebují zpravidla trochu méně teplé vody než v přechodných a zimních měsících.

Na zjednodušeném schématu solárního systému (obr. 1) jsou znázorněny jednotlivé uzly (zařízení) a jejich vzájemné propojení. Jako nejvhodnější schéma bylo vybráno schéma solárního předehřevu a následného konvenčního dohřevu teplé vody.

Kolektory předávají teplo do „předehřívacího“ solárního zásobníku, který je napojen na studenou vodu, a následně už sluncem ohřátá teplá voda (s neurčenou teplotou) vstupuje do dalšího zásobníku, kde se dohřeje na požadovanou teplotu běžným zdrojem tepla, konkrétně v tomto případě plynovým kotlem. Berme v úvahu ohřev studené vody z 10 na 50 °C.

Na základě údajů poskytnutých od správce domu byly vypracovány simulace s různými počty kolektorů. Simulace proběhla s 80, 60, 40 a 20 kolektory typu TS 300 při zachování stejné spotřeby. V simulacích byl kromě kolektorů zvyšován úměrně i objem, do kterého byla získaná sluneční energie akumulovaná.

Je třeba si uvědomit, že závislost energetického zisku kolektorového systému není přímo úměr úměrně závislá na počtu použitých kolektorů. Na to, jaký maximální energetický zisk je možné ze systému získat, mají vliv dva limitující faktory. Jsou to ohraničená denní spotřeba TUV a křivka účinnosti termického kolektoru.

Z grafu 1 lze vyčíst, že i když zdvojnásobíme počet kolektorů z 20 na 40, nezdvojnásobí se nám získaná energie. Toto je jedno z častých a mylných očekávání investorů. Na to, abychom zdvojnásobili získanou energii z kolektorů, bychom museli navýšit počet kolektorů v systému v tomto případě více než trojnásobně.

Z teorie do praxe

Proč ale neumíme ze 40 kolektorů získat dvojnásobek energie? Kolektor má své limity, které jsou dány jeho konstrukcí a použitými technologiemi. Čím je na výstupu z kolektoru nižší teplota kapaliny, tím účinněji kolektor přeměňuje dopadající sluneční záření na využitelné teplo. Naopak pokud je na výstupu z kolektoru požadována vyšší teplota, ztráty tepla se také zvětšují. Na obr. 2 lze vidět, jak ze 100 % dopadajícího slunečního záření získáme přibližně 60 % využitelné energie.

Na křivce účinnosti kolektoru je zřejmé, že se stoupajícím rozdílem teplot mezi absorbérem kolektoru a okolním vzduchem se snižuje jeho výkon. Při stejných provozních podmínkách má kolektor při ΔT = 40 K výkon 1170 W a při ΔT = 20 K výkon 1320 W. Je to způsobeno tím, že čím je vyšší teplota na výstupu z kolektoru, tím vyšší jsou i ztráty do okolí. A právě zvyšování počtu kolektorů vede k vyšší výstupní teplotě, což má za následek zmíněný jev.

Takové zvyšování počtu kolektorů s sebou přináší negativa nejen v podobě navýšení investičních nákladů. Nejsou to jen kolektory – je třeba počítat také s adekvátně větším počtem nosných konstrukcí, potrubím teplonosné kapaliny a ostatním montážním materiálem. A samozřejmě také s provedenou prací, která rovněž něco stojí.

Kromě zmíněných zvýšených nákladů při větším než „rozumném“ počtu začnou kolektory v určitém (zejména letním) období stagnovat. Jedná se o stav, kdy teplota na kolektorech stoupne nad určitou hodnotu, solární zásobník je nahřátý na požadovanou teplotu a kolektory v té době další energii do systému nepředávají.

Z grafu 3 lze vyčíst teploty, kterých lze na kolektorech dosáhnout – při počtu 60 kolektorů je to 150 °C (při 80 ks až 160 °C). Obecně kolektorům takové přehřívání nedělá problémy (stagnační teplota kolektoru je na úrovni cca 190 °C), a pokud je dimenzovaná i správná velikost expanzní nádoby, tak to není technický problém. Snižuje se tím však životnost teplonosné kapaliny a také se přehříváním kolektorů snižuje roční energetický zisk, protože potenciál kolektorů neumíme naplno využít.

Zmíněný první limitující faktor ohraničené denní spotřeby spočívá v tom, zda dokážeme využít veškerou energii z kolektorů během aktuálního nebo následujícího dne. Při spotřebě teplé vody 4000 l/den nám ji v požadovaném množství a teplotě 60 ks (nebo 80 ks) kolektorů ohřeje slunce od východu do odpoledne. Zbylou část dne až do západu slunce jsou kolektory během letních dnů nevyužité a stagnují.

Závěr

Při shrnutí jednotlivých návrhů je vidět (tab. 1, graf 4), že 60 a 80 kolektorů by nemělo velký smysl. Z již řečeného víme, že by docházelo jednak k přehřívání a jednak k nízkému měrnému energetickému zisku z jednotky plochy kolektoru. Lépe to vypadá při 20 a 40 kolektorech. Ačkoliv při 20 kolektorech máme vysoký energetický zisk z kolektorů, tento systém je poddimenzovaný, roční úspora energie na ohřev vody je pouze 37 %.

Jako maximální „rozumný“ počet kolektorů nám tedy vychází 40 ks, u nichž je dosahována úspora na ohřevu vody až 58 % s přiměřeným měrným energetickým ziskem. Praxí je potvrzeno, že energetický zisk z kolektorů v rozmezí 520 620 kWh/m2/rok je přijatelný, co se týče vyváženosti systému. Samozřejmě, některému investorovi může také úspora z 20 kolektorů vyhovovat s ohledem na jeho investiční možnosti.

U rodinných domů je cirkulace TUV vzácnější, ale u bytových domů jde o běžnou věc. Nesmíme rovněž zapomínat, že cirkulační ztráty v rozvodech tvoří ve většině případů více než 50-60% spotřeby tepla na ohřev TUV v závislosti na věku a technickém stavu celého systému. Proto je při reálném návrhu třeba uvažovat i s tímto parametrem.

I když by se tak mohlo zdát, že čím více, tím lépe, závěrem je třeba konstatovat, že není výhodné se hnát za velkými počty kolektorů, které nepřinesou ten správný efekt. Návrh netřeba podcenit a je dobré se obrátit na odborníky, kteří dokážou v dané problematice poradit a dovést záměr do úspěšného konce.