Sluneční termické kolektory

Využití sluneční energie jako jednoho z obnovitelných zdrojů energie (OZE) zaznamenalo na přelomu století v zemích EU dynamický nárůst. K nejpoužívanějšímu způsobu využití sluneční energie patří sluneční termické kolektory, které dokážou sluneční energii přeměnit na teplo.

Slunce nám dodává svou energii odedávna a další miliardy let ještě bude. Přímé nebo nepřímé využívání sluneční energie nemá téměř žádné negativní dopady na životní prostředí a zdraví člověka. Záměrně jsme použili slůvko téměř, protože některé technologie aktivní přeměny slunečního záření na jiné formy energie jsou spojeny i s nebezpečnými procesy. Týká se to hlavně výroby fotovoltaických článků, jejichž základem je křemík. I při výrobě slunečních termických kolektorů se spotřebuje určité množství energie. Podle dostupných údajů však kolektor během 18 až 24 měsíců všechnu energii, která byla spotřebována na výrobu a instalaci systému, sám vyrobí. Tento časový údaj platí pro použití primárních surovin na výrobu zařízení.

V případě výroby z druhotných surovin se tato doba zkrátí na několik měsíců. Jednoznačně tedy sluneční kolektory mají obrovský ekologický přínos. Provoz slunečních kolektorů se pozitivně projevuje jak v místě instalace, tak i v širších souvislostech. Samozřejmě že globální pozitivní vlivy má intenzivní nasazování solárních systémů. Proto orgány EU vypracovaly grandiózní plány dalšího využití solární energie, proto i množství vlád klade takový důraz na tuto oblast.

Dnešní sluneční kolektory dokážou v případě optimálního zapojení a provozování zabezpečit 50 až 70 % z celoročního množství energie potřebné k ohřevu pitné vody. Optimálně navržený a provozovaný solární systém dokáže dodat ročně z 1 m² kolektorové plochy 450 až 500, někdy i více kWh tepla. Pro názornost jde v letním období denně asi o 50 litrů teplé vody s teplotou 50 až 60 °C. V zimním období, kdy slunce nesvítí dostatečně, kolektory vodu jen předehřejí a jiný zdroj energie (elektroohřev, kotel ÚV) zabezpečí požadovanou teplotu. Není vůbec třeba se obávat, že v horách to fungovat nebude.

Naše území je příliš malé na to, aby byly mezi jednotlivými regiony výrazné rozdíly. A ještě jeden fakt, o němž mnozí nevědí – čím vyšší nadmořská výška, tím lépe. Na provozní výsledky solárního systému má totiž menší vliv nízká teplota ovzduší než výskyt oblačnosti a mlh. Vysoko v horách je výrazně čistší ovzduší než v údolích nebo kotlinách.

Využití solárních kolektorů
Největší část slunečních termických kolektorů – až 80 % – je využívána na přípravu ohřáté pitné vody. Druhou, stále rostoucí skupinu představují solární ohřevy exteriérových a interiérových bazénů. Velký zájem majitelů domů je i o využití slunečních kolektorů na podporu vytápění. Okrajovou skupinu představují systémy technologických ohřevů. Nakonec uvedeme takové využití, od něhož se očekává v budoucích letech největší růst. Jde o solární chlazení budov, kdy kolektory slouží k pohonu sorpčních chladicích zařízení. V závislosti na úkolu solárního zařízení je dimenzována nejen velikost solárního pole, ale i skladba, velikost a počet ostatních komponentů solárního systému jako celku.

Příprava ohřáté pitné vody
Na přípravu ohřáté pitné vody je nezbytná instalace vhodného solárního bojleru. Většinou jde o stojaté válcové nádoby s různým objemem se zabudovaným tepelným výměníkem, kvalitní tepelnou izolací a vnitřní antikorozní úpravou. Potřebná velikost teplosměnné plochy je 0,25 až 0,35 m² na 1 m² kolektorové plochy.

Ve srovnání se standardním zdravotnětechnickým výpočtem objemu bojleru je objem solárního bojleru dvojnásobný. To umožňuje překlenout v letním období i 1 až 2 dny a maximálně využít dopadající sluneční záření. Vertikální konstrukce zabezpečuje velmi dobré vrstvení teploty. Není řídký jev, kdy je v horní části bojleru teplota 65 °C, ve středu 40 °C a dole 20 °C. Sériově se vyrábějí solární bojlery se zabudovaným výměníkem s objemem asi 1 200 litrů. Při větších objemech už vznikají konstrukční problémy s dostatečně velkou teplosměnnou plochou, proto se u větších solárních systémů s většími bojlery používají řešení s externími protiproudovými výměníky tepla (deskové, trubkové, spirálové).

Při využití solárních kolektorů na přípravu ohřáté pitné vody je třeba dodržet následující podmínky:

• používat speciální solární vertikální bojlery s výrazně větší teplosměnnou plochou,
• v rodinných domech počítat na 1 obyvatele s kolektorovou plochou 1,2 až 1,5 m²,
• na 1 m² kolektorové plochy má připadat 50 až 60 l objemu bojleru,
• ekonomické využití solárních kolektorů na přípravu ohřáté pitné vody je optimální, jestliže kryje 55 až 60 % energie na ohřev,
• z hlediska účinnosti a celkového zisku je optimální nastavit požadovanou teplotu ohřáté vody na 50 až 55 °C (v případě víceokruhových systémů).

Vytápění
Protože žijeme v oblasti, kde je třeba během několika měsíců topit, zcela přirozeně vyvstává otázka, zda se dá pomocí slunečních kolektorů vytápět. Odpověď není jednoduchá a je třeba upozornit, že když někdo nabízí například pět kolektorů na ohřev pitné vody, bazénu i na vytápění, buď lže, nebo věci nerozumí. V první řadě je nutno vzít v úvahu značný rozdíl mezi přísunem energie ze slunce a potřebou tepla na vytápění. Technicky je sice možno realizovat vytápění objektu slunečními kolektory, ale ekonomická návratnost takového řešení je velmi sporná. Lepší je hovořit o podpoře vytápění. Jedním z často využívaných řešení je tzv. trojkombinace – ohřev pitné vody, ohřev vody ve venkovním bazénu a podpora vytápění. Při tomto řešení budou kolektory v létě ohřívat pitnou vodu a bazén a v zimním půlroku předehřívat vodu a podporovat vytápění.

Pro dosažení maximální funkčnosti je však třeba splnit určité podmínky:

• pro solární podporu vytápění jsou vhodné jen objekty s velmi dobrými tepelněizolačními parametry a nízkoteplotním otopným systémem (stěnové, podlahové, teplovzdušné nebo výrazně předimenzované konvekční vytápění);
• nejjednodušším a nejlevnějším řešením je ohřev topného média ve vratném potrubí před jeho vstupem do kotle nebo rozdělovače;
• má-li být přínos kolektorů pro ústřední vytápění citelný, nestačí tři nebo čtyři kolektory, je jich potřeba výrazně více, což s sebou přináší problém racionálního využití letních tepelných zisků – smysluplným řešením je například kombinace s letním ohřevem venkovního bazénu;
• pro solární otopné systémy je vhodný větší úhel sklonu kolektorů, například 60°;
• v rekreačních objektech s přechodným využíváním se dá napojit otopný systém přímo na kolektory, bez výměníku;
• v současnosti se prosazují schémata zapojení solárních kolektorů s centrálním zásobníkem tepla s dostatečným objemem, do kterého vstupují kromě kolektorů i další zdroje tepla (stále atraktivnějším se stává vytápění dřevem) a z něhož jsou napájeny všechny další spotřebiče;
• z praxe i literatury je známo, že v případě podpory vytápění má smysl maximálně 25- až 30procentní pokrytí energetických požadavků na vytápění.

Ohřev vody v bazénu
Na ohřev vody v nekrytých venkovních bazénech je potřeba instalovat kolektory s plochou rovnající se přibližně polovině plochy bazénu. V případě interiérových bazénů by se plocha kolektorů měla rovnat 80 až 100 % plochy hladiny – na velikost kolektorů má vliv fakt, že tyto bazény nemají přímé tepelné zisky ze slunce a všechnu energii je jim třeba dodávat ohřevem. Bazény pod transparentními kryty fungují samy od sebe jako kolektory, takže v letním období je nutno je spíše chladit, proto je v tomto případě použití slunečních kolektorů problematické.

V zájmu spolehlivosti a úspory elektrické energie je žádoucí vybudovat samostatný cirkulační okruh bazénové vody přes solární výměník se samostatným čerpadlem. Nutno zabezpečit, aby se případný doplňkový ohřev z jiného zdroje (kotel ÚV, elektrická energie) nevyužíval během dne, kdy je voda ohřívána kolektory. Bazénová voda může být přečerpávána i přímo přes plastové absorbéry, v případě kovových kolektorů je nezbytná instalace vhodného (protiproudového) výměníku. Potřebnou kolektorovou plochu je možno snížit o 20 až 30 % důsledným používáním překrytí hladiny bazénu, když je mimo provoz.

Umístění kolektorů
V závislosti na způsobu využití a druhu solárního kolektoru i celkového počtu slunečních kolektorů je obvykle třeba řešit jejich vhodné umístění. Při umisťování solárních kolektorů musejí být zohledněny dva aspekty: technologický a architektonický. V minulosti se na estetickou stránku hledělo méně. Dnes už ve většině případů estetické hledisko sehrává neméně důležitou roli a nejednou právě ono má rozhodující vliv na řešení kolektorového pole. Z technologického hlediska jde v první řadě o spolehlivé upevnění kolektorů k podkladu.

Obecně platí, že kolektory se dají upevnit téměř na všechny druhy sedlových, pultových, valbových či plochých střech, na fasádu i volný terén, protože výrobci dodávají nosné konstrukce pro různé typy střešní krytiny. Esteticky a architektonicky bývají velmi vydařené instalace kolektorů do střešního pláště. V těchto případech kolektory zároveň nahrazují střešní krytinu. Kromě nesporných estetických přínosů takovéto řešení šetří část krytiny a zlepšuje pracovní charakteristiky samotných kolektorů. Nevýhodou je možná zvýšená pracnost spojená s kvalitní přípravou a důslednou realizací, aby se vyloučilo riziko zatékání se všemi z toho plynoucími důsledky.

K méně tradičním místům vhodným k umístění kolektoru patří balkony, stříšky nebo překrytí parkoviště, ploty, vhodně orientované svahy nebo i rovný terén. V případě vícepodlažních panelových domů se kromě umístění na rovnou střechu nabízí i možnost svislého upevnění na jižní fasádu. Při tomto řešení se sice získá méně tepla v létě, ale o to lepší jsou podmínky v zimním půlroce. Upevnění kolektorů na fasádu je vhodné i při ploše střechy nepostačující na umístění potřebného počtu kolektorů u více než čtyřpodlažních obytných budov.

Ve srovnání s pálenou a betonovou střešní krytinou je hmotnost kolektorů připadající na 1 m² menší. Ani v případě lehkých střešních krytin není hmotnost kolektorů zásadní komplikací, protože je stále výrazně nižší než výpočtová zátěž sněhem. Důležitější je otázka fixace kolektorů bezpečná proti účinkům větru, zvláště při instalaci na rovných střechách a na rovném terénu. Sporadicky se vyskytují i řešení nosných konstrukcí, která umožňují natáčení a (nebo) naklápění kolektorů za sluncem. I když jde o efektní a zajímavé řešení, většinou bývá příliš drahé. Důsledné natáčení kolektorů za sluncem přinese zvýšení ročního energetického zisku asi o 40 %. Výrazně levnější způsob, jak dosáhnout stejného výkonu, je zvětšení plochy kolektorového pole.

Cena solární soustavy
Cena samotných kolektorů není obvykle tou největší položkou. Hlavně v případě menších solárních zařízení na přípravu ohřáté pitné vody představuje cena kolektorů 30 až 40 % z celkové ceny zařízení na klíč. Majitel rodinného domu, ve kterém bydlí čtyř- až pětičlenná rodina, by si měl na tento účel vyčlenit asi 100 000 Kč.

Čím je systém větší, tím je relativně levnější. Roční provozní náklady (náklady na elektrickou energii na pohon čerpadel, revize, výměnu teplonosné kapaliny a běžnou údržbu) představují méně než 0,5 % z investičních. Mimořádně příznivých ekonomických ukazatelů dosahují solární systémy na ohřev bazénové vody.

Ekonomické hodnocení vždy závisí na druhu energie, kterou kolektory nahradíme, na účelu použití a požadovaných parametrech. Jednoduchá návratnost vychází ve většině případů poměrně dlouhá – více než 10 až 12 let, ale po zohlednění růstu cen paliv a energie se dostává do podstatně příznivějšího světla.

Obecně se dá očekávat návratnost vložených prostředků v případě malých solárních zařízení na přípravu ohřáté pitné vody v rodinných domech během 8 až 10 let. Při ohřevu vody do bazénů je to výrazně pod časovou hranicí 8 let. Návratnost, a tím i ekonomickou zajímavost solárních systémů může ovlivňovat i stát svou dotační a daňovou politikou. V přepočtu na 1 000 obyvatel jsme daleko za evropskými lídry (např. Rakousko má více než 300 m²/1 000 obyvatel).

V solární technice, podobně jako v jiných oblastech, se projevuje konkurenční tlak, a tak už většina výrobců a dodavatelů nabízí komplexní řešení, která minimalizují pracnost montáže a snižují montážní náklady. Tyto soupravy jsou nabízeny už nejen pro přípravu ohřáté pitné vody, ale i na ohřev bazénové vody a podporu vytápění. Přesto však výběr vhodného zařízení a jeho instalace vyžadují dostatek vědomostí a zručnosti.

Nelze proto doporučit „lidovou tvořivost“ a snahu šetřit na nepravém místě. Pochopitelně se každý investor snaží snížit své náklady, ale levnější řešení nebývá vždy opravdu levnější. Skutečně velký pozor je třeba si dát na nabídky, které se výrazně liší od průměru. Protože se oblast solárních zařízení stává i u nás obchodně zajímavou, objevují se stále častěji nabídky, které jsou sice cenově zajímavé, ale většinou nesplňují ani základní kvalitativní a výkonové parametry. Při koupi je vždy třeba žádat výsledky měření nezávislých autorizovaných zkušeben a nespokojit se s tvrzením, že to „spolehlivě funguje v Řecku“.

Naše klimatické a provozní podmínky se výrazně liší od kempu na pobřeží Egejského moře, kde stačí samotížný systém a kolektory s neselektivní vrstvou. Tyto systémy jsou sice levnější, ale v našich podmínkách jsou pro celoroční provoz přinejmenším diskutabilní. Seriózní a dobře etablovaný výrobce nebo dodavatel, který nechce na kolektorech jen rychle vydělat, si dává dobrý pozor, aby poskytoval pouze korektní údaje, a určitě neslibuje kolektory s parametry „perpetuum mobile“.

Ján Tomčiak
Foto: Thermo|solar, R. Freund, Viessmann