Solární ohřev vody

V dnešním článku se věnujeme sesterskému systému fotovoltaiky, a to solárnímu ohřevu TUV a vody určené do otopného systému. Často dochází k mylné záměně obou technologií či k jejich směšování. Ale ačkoliv se obě zařízení snaží o co nejefektivnější využití slunečního záření, každé z nich tak činí jiným způsobem.

Druhy fototermických kolektorů

Stejně jako v případě fotovoltaických elektráren, tak i domácí solární ohřev vody vyžaduje instalaci sluneční záření pohlcujících panelů. Nejběžněji jsou umisťovány na střechu objektu. V případě fototermiky se tyto panely nazývají solární kolektory. Jejich množství je dáno počtem osob v objektu trvale pobývajících. Efektivita zařízení je vyměřena tak, že na jednu osobu je potřeba 1 – 1,5 m² kolektoru, obvykle se tedy v domácnostech o 3 – 4 osobách instalují 2 – 3 kolektory. Jejich finální množství se však také neoddělitelně odvíjí od toho, jaký typ kolektoru zvolíme:

Ploché deskové kolektory – jedná se o nejčastěji využívanou variantu. Celou plochou kolektoru prochází měděná trubička (dlouhý had pod sklem) s teplonosnou solární kapalinou. Ta v zimě nemrzne a v létě vře až nad teplotou cca 200 °C. Izolace je tvořena vzduchem. Vrchní strana kolektoru je pokryta sklem se selektivní vrstvou vysoce absorpční látky, která zaručuje co možná nejvyšší pohlcení slunečního záření a co nejmenší vyzařování tepla zpět do okolí. Jednoduše řečeno, pod sklem se za slunného počasí vytvoří skleníkový efekt, díky kterému se tento prostor ohřeje a s ním i teplonosná kapalina v trubicích.

Ploché deskové – vakuové kolektory – alternativa klasického plochého kolektoru, avšak s tím rozdílem, že se v celém jeho objemu vyskytuje vakuum, díky kterému ve střešním zařízení dochází k menším tepelným ztrátám do okolí.

Trubicové vakuové – kondenzační kolektory – záření působí na měděnou trubičku, na jejímž dně se začne zahřívat těkavá kapalina. Ta přechází vlivem vysoké teploty do plynného stavu. Na horním konci vertikální trubičky se zchladí o vodorovně vedenou sběrnou trubku, tam zkondenzuje a steče zpět na dno trubičky. A právě při změně skupenství zpět na kapalné se uvolní kondenzační teplo, které přes sběrač přejde do teplonosné kapaliny solárního systému. Tento proces probíhá ve všech trubicích daného kolektoru najednou. Benefitem je slušná účinnost tohoto typu i při zatažené obloze. Paralelní řazení trubic navíc zajistí funkčnost kolektoru i přes případné poškození některé z trubic.

Vakuové trubicové kolektory – skleněné dvoustěnné vakuované trubice uspořádané vedle sebe, kombinace technologie trubicového a plochého kolektoru. Jedná se o neustále opakující se proces popsaný v předchozím odstavci, ale s tím rozdílem, že zde funkci izolační látky plní vakuum. Tak je zajištěn slušný výkon kolektoru i při teplotách pod bodem mrazu. Ohřev je zde vykonáván ze všech typů kolektorů nejefektivněji, jedná se však o nejdražší typ solárního termického zařízení.

Všeobecně je udáváno, že jsou ploché kolektory estetičtější, jednodušší na údržbu, ale že trubicové jsou oproti nim až o 30 % výkonnější. Velmi zajímavé jsou však výsledky studie Univerzity v Ingolstadtu zveřejněné v roce 2005. Porovnávala ploché a vakuové trubicové kolektory. Výzkum probíhal v lednu 2005 při teplotě pohybující se kolem 0° s vysokou hodnotou slunečního záření. Byla očekávána vyšší efektivita u vakuového trubicového kolektoru. Leč ten byl v daný den v provozu jen krátkou dobu, a to pouze v odpoledních hodinách v době západu Slunce. Ploché kolektory naopak vykonávaly činnost po celý den a produkovaly tepelnou energii na dostatečné úrovni. Příčinou neuspokojivého účinku trubicových kolektorů bylo jejich pokrytí námrazou. Odmrazování probíhalo oproti plochým kolektorům pomalu (z důvodu jejich velice účinné izolace vakuem). Další zpomalení funkčního procesu trubicových kolektorů způsobilo také jejich pokrytí sněhem, který byl zachycen mezi jednotlivé trubice. Po hladkých plochých kolektorech sníh naopak jednoduše sklouznul. Výslednou účinnost jakéhokoliv typu solárního kolektoru tedy rozhodně nelze vztahovat jen k ideálním podmínkám.

Princip

Základními prvky v systému jsou solární kolektory umístěné na střeše či fasádě, dále rozvody potrubí, oběhové čerpadlo a expanzní nádoba. Na straně spotřeby tepla pak akumulační zásobník (bojler TUV a/nebo nádrž s topnou vodou), které obsahují tepelný výměník a regulační jednotku.

Solární kolektory zachytávají sluneční záření, ohřívají se a od nich se následně ohřívá solární kapalina. Díky oběhovému čerpadlu klesá horká kapalina v teplé větvi uzavřeného solárního okruhu do výměníku tepla v ohřívači TUV (bojleru) nebo v otopné soustavě. Zde předá solární kapalina své teplo, ochladí se a (díky již řečenému oběhovému čerpadlu) stoupá chladnou větví solárního okruhu zpět do kolektoru atd. Vhodný typ výměníku (levnější trubkový či efektivnější deskový) i jeho velikost jsou voleny samotným výrobcem solárního systému. Dodejme jen, že záleží na jeho velikosti. Pokud je totiž tepelný výměník na straně bojleru nebo ohřívače TUV nevyhovující, anebo když ohřívaná nádrž obsahuje již velmi ohřátou vodu, do solárního kolektoru se vrací nedostatečně ochlazená teplonosná kapalina a kolektory jsou tak nuceny pracovat při vyšší teplotě. To má za následek nežádoucí snížení účinnosti kolektoru.

Nádrž, v níž je obvykle integrovaný výměník a voda, kterou ohřívá solární kolektor, může vedle solárního ohřevu čerpat teplo i z kotle, od tepelného čerpadla a konečně může využívat i elektrického či plynového ohřevu. Velikost zásobníku TUV se odvíjí od počtu osob v domě s tím, že na osobu se počítá s cca 80 – 100 l objemu.

Řídicí jednotka

Automatická regulační jednotka porovnává teploty na kolektorech a zásobníku a v případě naplnění nastavených rozdílů mezi hodnotami teplot v kolektorech a v zásobníku dává pokyn čerpadlu k chodu systému. Automatika pracuje s teplotními čidly jak v zásobníku, tak v samotném kolektoru. Čidla zaznamenávají aktuální teplotu vody a pokud je dosaženo jejího maxima (což je v letních měsících běžné), řídicí jednotka pozastaví provoz solárního systému. V případě zabudovaného čidla pro regulaci tzv. elektrické patrony řídící jednotka pružně reaguje vždy, když solární kolektor není schopen ohřát vodu na nastavenou teplotu. Automaticky pak spíná elektrickou patronu, která vodu zahřeje na požadovanou hodnotu. Podobně může samozřejmě fungovat i čidlo plynového kotle, pokud je k dispozici.

Závěr

Zařízení pro solární ohřev vody se může se svou sestrou fotovoltaikou velmi snadno doplňovat. Fotovoltaika se díky své univerzálnosti, klesající ceně a jednodušší montáži panelů stává běžnějším typem. Je navíc často využíván i technicky jednoduchý a levný systém fotovoltaického přímého ohřevu vody (bez použití měniče a baterií) za pomoci topné elektrické spirály.

Solární ohřev vody se však nadále pyšní cenovou dostupností v souvislosti s instalací komplexní soustavy. Vzhledem k velikosti plochy nutné k záboru kolektory také výrazně šetří prostor. Správně navržený a namontovaný kolektor je bez problémů schopen pokrýt celou spotřebu TUV v období mimo topnou sezonu. Životnost kolektorů je udávána 20 – 25 let a návratnost investice 10 – 20 let.

Související články

• Nové technologie ve výrobě fotovoltaických článků
• Domovní fotovoltaická elektrárna aneb cesta k soběstačnosti
• Solární tašky z prizmatického skla
• Fotovoltaické elektrárny