Návrh a provoz solárního systému pro přípravu teplé vody v bytovém domě

O výhodách solárního systému pro ohřev vody bylo napsáno již mnoho článků. Ve většině případů se však jedná o popis solárních systémů pro rodinné domy. Trochu opomíjenou oblastí pro efektivní využití termických solárních systémů jsou bytové domy, či komplexy bytových domů s jednou centrální kotelnou. Jako příklad uvádíme solární soustavu z plochých kolektorů Regulus KPS11-ALP.

Více než 40 % obyvatel naší republiky žije právě v objektech s více bytovými jednotkami. Spotřeba teplé vody v těchto objektech není rozhodně zanedbatelná a náklady na její přípravu ještě méně, protože se v mnoha případech jedná o velmi zanedbané systémy pracující s velkými tepelnými ztrátami hlavně v distribuční cestě (od výměníkové stanice, či výtopny ke konečnému spotřebiteli a tedy s nízkou účinností vedoucí k vysoké ceně právě pro koncového zákazníka. Zvyšující se ceny energií však již dnes začínají vést k rostoucí poptávce po úsporách energie na přípravu teplé vody právě v těchto objektech. Pro větší informovanost bytových družstev a společenství vlastníků o dané problematice bychom rádi uvedli konkrétní příklad instalace a provozu velkoplošného solárního systému pro podporu přípravy teplé vody (TV) v bytovém domě v Praze.

Vstupní data pro návrh solárního systému

Pro správný návrh počtu slunečních kolektorů je nutné znát konkrétní údaje o spotřebě teplé vody v objektu, případně i spotřebě energie (důležité pro kalkulaci úspor solárního systému). Pro optimalizaci výpočtu je výhodné znát spotřebu teplé vody v jednotlivých měsících, protože mnohdy existují větší rozdíly ve spotřebě TV mezi jednotlivými měsíci hlavně mezi letním a zimním obdobím. Nejdůležitější údaj je denní spotřeba TV v objektu, podle které se velikost solárního systému navrhuje. Pokud tento údaj není k dispozici, je možné spotřebu stanovit na základě počtu osob trvale žijících v objektu a průměrné spotřeby TV na 1 osobu a den.

Pro uváděný konkrétní příklad bytového domu v Praze existovala měsíční data o spotřebě TV dodané investorem. Průměrná denní spotřeba TV v měsíci červenci byla 5 m³. Pro standardní podmínky přípravy TV (studená voda o teplotě 10 °C, požadovaná teplota TV 50 °C) je pro ohřev tohoto objemu potřeba 233 kWh/den, připočtením tepelných ztrát rozvodů TV, cirkulace a akumulace (běžně 30–50 %) byla minimální denní potřeba energie stanovena na 350 kWh/den.

Příklad a filozofie návrhu

Pro větší systémy přípravy TV se z hlediska provozu, investičních nákladů a návratnosti systému nejčastěji navrhují ploché kolektory se spektrálně selektivní vrstvou a izolací, umožňující celoroční efektivní provoz solárního systému.

Aby provozem solárního systému nevznikaly výraznější přebytky energie v letním období, tj. v období s nejnižší spotřebou TV v bytových domech a zároveň v období největších solárních zisků, provádí se výpočet potřebné kolektorové plochy pro provoz solárního systému právě pro měsíc červenec.

V předvedeném bytovém domě v Praze bylo navrženo na základě předešlých údajů o spotřebě teplé vody poskytnutých investorem a se zohledněním využitelné plochy střešní konstrukce 36 plochých slunečních kolektorů typu KPS11. Jedná se o nejčastěji využívaný sluneční kolektor pro systémy přípravy TV s aktivní plochou 2,26 m², který vykazuje špičkový denní zisk cca 8–8,5 kWh, tzn. cca 3,7 kWh/m² kolektoru.

Takto navržený solární systém, nebude vykazovat žádné letní přebytky energie a je uvažováno s bivalentním dohřevem téměř během celého roku (v létě minimálně, v zimně větší část).

Solární podíl systému činí 31 %, což odpovídá energetické úspoře 53 881 kWh z původní celkové potřeby energie pro přípravu TV 171 886 kWh. Pro předpokládané zdražení energie byl proveden výpočet celkových nákladů na přípravu TV se stávajícím a nově doplněným solárním systémem s výhledem na 20 let a předpokládaným nárůstům cen energii o 7 % za 1 rok. Cena za 1 kWh pro počátek simulace (stávající stav) je 2 Kč. Při celkové výši počáteční investice navrženého solárního systému 1 490 000 Kč s DPH je návratnost systému bez uvažování dotace Zelená úsporám 9 let. Při uznání a připsání této dotace a uvedených počátečních investičních nákladech se doba návratnosti zásadě sníží, a to na 2 roky.

Provoz a řízení solárního systému

Navržená solární soustava se skládá z 36 plochých kolektorů Regulus KPS11-ALP. Kolektory jsou zapojeny do 8 kolektorových polí. U každého pole je instalován vyvažovací ventil, pro přesné nastavení průtoku kapaliny jednotlivými poli. Kolektory zachycená tepelná energie je nemrznoucí solární kapalinou odváděna do technické místnosti měděným potrubím opatřeným tepelnou izolací.

Solární technologie je dále složena ze třech zásobníků TV, každý o objemu 1 000 litrů. Pro solární systém je z hlediska priority ohřevu zásobník (1) viz schéma, navržen jako primární, zbylé dva zásobníky jako sekundární (2). Nabíjení jednotlivých zásobníků je řešeno přes předřazený deskový výměník, kterým je hydraulicky oddělen solární okruh od okruhu přípravy teplé vody.

V objektu byla příprava vody řešena systémem centrálního zásobování teplem (CZT), nově instalovaná solární soustava byla stávající přípravě TV pouze předřazena. Původní systém přípravy TV byl ponechán beze změn. Stávající přívod studené vody do výměníku CZT byl uzavřen a voda je přiváděna do solárních zásobníků, kde je podle aktuálního stavu solárního systému předehřívána a po té přiváděna zpět před výměník CZT, kde je podle její teploty dohřívána. Pokud má tato předehřátá voda solárním systémem již dostatečnou teplotu, výměníkem pouze proteče bez sepnutí dohřevu a je dále distribuována do objektu k jednotlivým odběrným místům.

Pro rychlé využití solární energie na krytí tepelných ztrát cirkulace vody v objektu je na cirkulační potrubí instalován třícestný zónový ventil, který přepíná cirkulaci mezi primárním solárním zásobníkem, čímž je teplo z tohoto zásobníku automaticky distribuováno do technologie dohřevu a dále do objektu nezávisle na odběrech a stávajícím dohřevem. Solární regulátor zajišťuje toto řízení provozu cirkulace TV na základě teplot i času, čímž je dosažena trvalá dodávka teplé vody i do nejodlehlejších odběrných míst v objektu s dodržením maximálních možných úspor na cirkulaci objektu.

Vlastní solární systém je řízen na základě teplotního rozdílu mezi teplotou dosaženou na slunečních kolektorech a teplotou vody v jednotlivých zásobnících.

Pokud je teplota na výstupu ze slunečních kolektorů vyšší než teplota v některém ze zásobníků (1 nebo 2), je solární systém v provozu, solární oběhové čerpadlo je v chodu. Vzhledem k velké ploše a výkonu solárního systému dochází k rychlému nabíjení malého objemu vody v zásobníku 1, čímž je brzy odepnut bivalentní zdroj (CZT) a tedy dosaženo prvotní úspory energie. Nahřívání zásobníků je od slunečních kolektorů realizováno na jejich maximální povolenou teplotu 95 °C. Souběžně může být odebírána naakumulovaná energie ze solárních zásobníků k dohřevu a spotřebě.

V případě dosažení maximální teploty (95 °C) v jednotlivých zásobnících TV je solární systém v klidovém stavu a solární oběhové čerpadlo není v provozu. Může docházet k přehřívání solárních kolektorů nad teploty 130 °C a růstu tlaku nad 5 bar. Tento stav není havarijní, solární systém se po zchladnutí kolektorů vrátí automaticky do běžného provozního stavu.

Pokud teplota na výstupu ze slunečních kolektorů klesne a je nižší než je dosažená teplota v zásobnících TV solární systém je v nečinnosti. Souběžně však může být odebírána naakumulovaná energie ze solárních zásobníků k dohřevu a spotřebě.

Solární systém? Určitě ano!

S rostoucími cenami energií se snižuje i návratnost investic do solárních systémů pro bytové domy. Bytovým družstvům a společenstvím vlastníků, které vyřešili zateplením fasády objektu a výměnou oken vysoké náklady na vytápění, se tak otevírá reálná možnost dalších úspor na provozu objektu a další snížení závislosti na rostoucích cenách energií. Teplá voda dnes již nepatří ke komfortu, nýbrž ke standardu našich domácností a její příprava by měla být jednoznačně efektivní, levná a ekologická. Solární systémy jedinečně snoubí všechny tyto požadavky a stále více se ukazuje, že mají velkou šanci se v budoucnu stát nedílnou součástí všech systémů pro přípravu TV. Díky používaným materiálům a životnosti více než 25 let, nemůže žádný investor udělat instalací solárního systému chybu. Jedinou podmínkou je tedy profesionalita dodavatelské firmy a správný návrh solárního systému.