Zkušenosti s navrhováním solárních tepelných kolektorů

3. února 2014

Přeměna energie slunečního záření v energii tepelnou je jednou z nejjednodušších metod, jak využít sluneční záření. Tento článek vychází ze zkušeností s navrhováním solárních tepelných kolektorů a shrnuje obecná pravidla navrhování solárních tepelných kolektorů ověřená praxí. Využívá poznatky z návrhů, montáží a provozů solárních termických soustav.

Ovlivnění výkonu solárního kolektoru
Azimut α

Absorbér kolektoru musí být orientován co nejvíce k jihu. Kolektory mají největší zisky s azimutálními úhly α do 45° východně nebo západně od jihu, s mírnou odchylkou výkonu systému (cca 1,5 %). Systémy, které se odchylují o více než 45°, vyžadují přídavnou plochu kolektorů pro kompenzaci sníženého solárního zisku (obr. 1).

Během roku se úhel dopadu slunečních paprsků mění, maximálního zisku tepla lze dosáhnout pouze tehdy, když je absorbér kolektoru nastaven vůči slunci kolmo (obr. 2 a 3).

Ohřev TV

Platí empirické pravidlo, že kolektor musí směřovat k rovníku, a optimální úhel sklonu pro přípravu teplé vody je 0,7 × zeměpisná šířka.

Podpora vytápění

Při podpoře vytápění se optimální úhel kolektoru rovná zeměpisné šířce. Úhel sklonu je přizpůsoben trajektorii slunce v zimním období.

Zastínění

Zastínění sníží celkový výkon solárního systému. Při návrhu solárního systému je proto nutné zvážit umístění kolektorů tak, aby bylo minimalizováno zastínění vysokými budovami, stromy a podobně.

Při návrhu větších systémů s více než jednou řadou kolektorů je nutné mezi řadami kolektorů ponechat dostatek místa (obr. 4).

Pro výpočet vzdálenosti mezi kolektory použijte tyto vzorce:

kde   α   je   sklon střechy,
   b   –   sklon kolektoru + sklon střechy,
   γ   –   úhel slunce nad horizontem,
   b   –   výška slunečního kolektoru.

Stagnace

Při slunečním záření dopadajícím na kolektor, kdy se teplo z kolektoru neodvádí (není potřeba tepla apod.), se absorbér zahřívá na velmi vysoké, tzv. stagnační teploty.

Systém je vhodné navrhnout tak, aby se stagnace co nejvíce minimalizovala.
Solární systém lze před stagnací a jejími důsledky ochránit:

správným dimenzováním solárního systému,
správnou volbou typu slunečního kolektoru,
volbou teplonosné látky,
u plochých kolektorů možností zpětného vychlazení zásobníku (tzv. prázdninová funkce),
u speciálních kolektorů s tepelnou trubicí možností využití teplotního omezovače (obr. 5).

Typy a umístění solárních kolektorů

Nejčastějšími typy kolektorů pro ohřev vody, přitápění a ohřev bazénu jsou ploché kolektory, i když v posledních letech mají z celkových instalací čím dál větší podíl trubkové vakuové kolektory. Plochý deskový kolektor (selektivní/neselektivní) s kovovým absorbérem se nejčastěji používá pro ohřev vody a ohřev vody v bazénu. Trubicový vakuový kolektor se používá pro systémy s podporou vytápění. Zvolit můžeme variantu s plochým nebo válcovým absorbérem umístěným ve vakuované skleněné trubce a v provedení s tepelnou trubicí (heat pipe) nebo přímo protékaný (direct flow).
Kolektory se ve většině případů montují na střešní konstrukci a podle jejího typu musí být zvolen správný způsob uchycení. Toto je vhodné vždy konzultovat s výrobcem navrhovaného zařízení.

U větších kolektorových polí a na výškových budovách se doporučuje provést statický výpočet. Nutno brát zřetel na to, že zejména v rohových a okrajových oblastech jakékoliv střechy není montáž kolektorového pole se standardním upevňovacím systémem přípustná. Zatížení větrem je zde výrazně vyšší než v ostatní části střechy. Pokud není možné kolektorové pole umístit pod hřebenem sedlové střechy, je nutné navrhnout sněhové zábrany (obr. 6).

Dimenzování solárních systémů

Návrh velikosti kolektorového pole musí vycházet z potřeby tepla, kterou stanovíme měřením nebo výpočtem. Při návrhu se bere v úvahu snížená spotřeba TV v letním období, v období dovolených apod. Cílem je maximální využití solárních zisků a vyhnutí se stagnaci systému. V případě bytových domů je nutné zohlednit případnou dodatečnou instalaci měřičů teplé vody, pokud ještě nainstalované nejsou. (Zkušenosti ukazují, že po jejich instalaci klesla spotřeba vody asi o 50 procent!) Z tohoto faktu vycházíme při návrhu velikosti kolektorového pole a akumulačních zásobníků.

Kingspan SOLAR, evropský výrobce vakuových kolektorů s plochým absorbérem a vakuem 10–6 mbar, doporučuje pro snížení doby stagnace empirické pravidlo pro ohřev vody; pro oblast ČR jeden metr čtvereční apertury kolektoru na 100 až 130 litrů celkového objemu zásobníku TV.

Při dodržování tohoto pravidla a nastavení systému na vypnutí při maximální teplotě například 80 °C dochází ke stagnacím minimálně a životnost solární kapaliny se prodlouží. V oblastech s tvrdou vodou je nutné při vysoko nastavené teplotě vypnutí provést opatření proti zavápnění. Doporučuje se instalovat změkčovací zařízení, které před účinky tvrdé vody ochrání i ostatní spotřebiče v objektu.

Předřadná chladicí nádoba

Při stagnaci dosahují teploty v kolektoru vysokých hodnot. Proto je nutné před expanzní nádobu navrhnout – jako ochranu tlakové membránové nádoby, která odolává teplotě zpravidla okolo 70 °C – předřadnou chladicí nádobu. Tu navrhujeme hlavně tam, kde máme krátké rozvody solárního potrubí, například v bungalovech. Velikostí je předřadná chladicí nádoba asi polovina objemu expanzní nádoby. Objem předřadné chladicí nádoby musí stanovit projektant.

Kolektorové pole s ochranou proti stagnaci – tepelné trubice s omezovačem teploty na každé trubici – nevyžadují předřadnou chladicí nádobu (obr. 7).

Závěr

Cílem tohoto článku je předat zkušenosti s navrhováním solárních tepelných kolektorů potvrzené praktickými zkušenostmi od projektantů, výrobců, instalatérů a uživatelů.

Ing. Václav Frolík
Obrázky: Brilon CZ

Autor je produktový manažer solární techniky ve společnosti Brilon CZ, a. s.

Literatura:
[1] Technické informace navrhování kolektorů Kingspan solar.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.