THERMO/SOLAR Žiar s. r. o.
Znižovanie energetickej náročnosti budov a ekologicky prijateľnejšie zdroje energie s minimálnym dopadom na životné prostredie. To je časť z požiadaviek, ktoré sú kladené na všetkých správcov nehnuteľností bez ohľadu na to, či sa jedná o rodinný dom, ktorý spravuje samostatná rodina alebo bytový dom, kde o spravovaní rozhodujú rôzne spoločenstvá. Smerovanie nám udáva stále viac sa sprísňujúca legislatíva, ale častokrát aj svetové trendy.
Solárne termické systémy patria do skupiny zariadení, ktoré výrazným spôsobom ovplyvňujú ekologickú stránku veci a dokážu majiteľovi ušetriť stovky eur. Určitou nevýhodou môže byť ešte aj v súčasnosti slabšia informovanosť o reálnych možnostiach tejto technológie. Častokrát sa stretávame s tým, že očakávania investorov sú nerealistické. Ich predstavy sú skreslené a čakajú, že po inštalácií solárneho systému vypnú kotly, alebo vypovedajú zmluvu dodávateľovi tepla. Naopak sú však aj investori, ktorý majú veľmi dobrý prehľad a vedia presne, čo chcú, čo môžu od tejto technológie očakávať a ako majú v pláne realizovať svoj zámer. Keď záujemca (investor) začína uvažovať o využití slnečného žiarenia ako zdroja energie pre svoj dom, pochopiteľne hľadá čo najviac informácií. Tých je v súčasnosti viac než dosť všade, kam sa pozriete. Sú to však vždy relevantné informácie, na ktoré sa dá spoľahnúť? Nie je to zas len nejaká reklama, ktorá má za úlohu prilákať čo najviac zákazníkov a realita je iná? Tým, ktorí v tom nemajú celkom jasno sa pokúsime poradiť, ako sa lepšie zorientovať v tejto problematike, aby sa nedali nachytať rôznym skresleným reklamám a kampaniam, ktoré nemusia mať vždy tú správnu výpovednú hodnotu.
V nasledujúcich riadkoch si na príklade načrtneme solárny systém pre bytový dom, kde budeme hľadať ideálny počet kolektorov a ukážeme si niektoré špecifiká pri návrhu. Hneď na začiatku je pre správny návrh potrebné získať od investora podstatné informácie ohľadne energetickej spotreby domu na ohrev TÚV, zložení obyvateľstva domu (mladí, dôchodcovia, rodiny s deťmi…), spotreby teplej vody a ďalšie. Ideálny stav je, keď môže poskytnúť vyúčtovanie domu za posledný 1 alebo 2 roky. Pri dôslednom návrhu je potrebné uvažovať aj so stratami tepla v cirkulačnom potrubí, pre jednoduchosť a názornosť príkladu tieto straty tentokrát zanedbáme.
Obr. 1 Zjednodušená schéma
Predstavíme si teraz na zjednodušenom príklade návrh solárneho systému pre bytový dom. Návrh systému budeme realizovať s pomocou výpočtového simulačného softvéru T*SOL Expert. Existuje viacero podobných simulačných softvérov, nám sa osvedčil práve tento. Povedzme si, že predstavovaný bytový dom bude situovaný v Prievidzi a bude v ňom žiť 100 obyvateľov, ktorí počas dňa minú spolu 4000 I teplej vody (teplota teplej vody sa berie do úvahy 45 – 50 °C). Dom nie je napojený na CZT, ale má vlastnú plynovú kotolňu. Strechu sme si počas osobnej obhliadky dôkladne prezreli, premerali a máme dostatok voľného miesta na umiestnenie aj väčšieho počtu kolektorov, maximálny možný počet v tomto prípade je 80 ks typu TS 300.Strecha je ideálne orientovaná a kolektory môžeme nasmerovať na juh so sklonom 45 stupňov. Podľa zloženia obyvateľstva domu vieme v simulačnom softvéri namodelovať priebehy spotreby teplej vody počas dňa aj celkovo celého roka. Denná spotreba má špičky najmä ráno a večer, v čase keď ľudia idú do práce/školy a keď sa vracajú domov. Počas roka je spotreba viac menej rovnomerná, v letnom období sa obyvateľom žiada spravidla trochu menej teplej vody ako v prechodných a zimných mesiacoch.
Graf 1 Porovnanie počtu kolektorov a energetického zisku
Na zjednodušenej schéme solárneho systému (Obr. 1) sú znázornené jednotlivé uzly (zariadenia) a ich vzájomné prepojenie. Ako najvhodnejšia schéma bola vybratá schéma solárneho predohrevu a následného konvenčného doohrevu teplej vody. Kolektory odovzdávajú teplo do „predohrievacieho“ solárneho zásobníka, ktorý je napojený na studenú vodu a následne už slnkom ohriata teplá voda (s nejakou teplotou) vstupuje do ďalšieho zásobníka, kde sa dohreje na požadovanú teplotu bežným zdrojom tepla, konkrétne v tomto prípade plynovým kotlom. Berieme do úvahy ohrev studenej vody z 10 °C na 50 °C. Na základe poskytnutých údajov od správcu domu boli vypracované simulácie s rôznymi počtami kolektorov. Simulácia prebehla s 80, 60, 40 a 20 kolektormi typu TS 300 pri zachovaní rovnakej spotreby. V simulácií bol okrem kolektorov zvyšovaný úmerne aj objem, do ktorého bola získaná slnečná energia akumulovaná. Je potrebné si uvedomiť, že závislosť výkonu kolektorového systému nie je priamo úmerne závislá od počtu použitých kolektorov. Na to, aký maximálny energetický zisk je možné zo systému získať, majú vplyv dva limitujúce faktory. Sú to ohraničená denná spotreba TÚV a krivka účinnosti termického kolektora. Zo zobrazeného grafu (Graf 1) vidíte, že aj keď zdvojnásobíme počet kolektorov z 20 na 40, nezdvojnásobí sa nám aj získaná energia. Toto je jedno z častých a mylných očakávaní investorov. Na to, aby sme zdvojnásobili získanú energiu z kolektorov, by sme museli navýšiť počet kolektorov v systéme v tomto prípade viac ako trojnásobne.
Obr. 2 Kolektor a straty
Prečo nevieme zo 40 kolektorov získať dvojnásobok energie ako pri 20 kolektoroch? Kolektor má taktiež svoje limity, ktoré sú dané jeho konštrukciou a použitými technológiami. Čím je na výstupe z kolektora nižšia teplota kvapaliny, tým účinnejšie kolektor premieňa dopadnuté slnečné žiarenie na využiteľné teplo. Naopak, ak je na výstupe z kolektora požadovaná vyššia teplota, straty tepla sa taktiež zväčšujú. Na obrázku (Obr. 2) vidíte, ako zo 100 % dopadnutého slnečného žiarenia získame približne 60 % využiteľnej energie. Na krivke účinnosti kolektora (Graf 2) je zrejmé, že so stúpajúcim rozdielom teplôt medzi absorbérom kolektora a okolitým vzduchom sa znižuje jeho výkon. Pri rovnakých prevádzkových podmienkach má kolektor pri ΔT = 40 K výkon 1170 W a pri ΔT = 20 K výkon 1320 W. Je to spôsobené tým, že čím je vyššia teplota na výstupe z kolektora, tým vyššie sú aj straty do okolia. A práve zvyšovanie počtu kolektorov vedie k vyššej výstupnej teplote, čo má za následok spomínaný jav.
Graf 2 Krivka účinnosti kolektora
Takéto zvyšovanie počtu kolektorov so sebou prináša negatíva nielen v podobe navýšenia investičných nákladov. Nie sú to len kolektory, ale treba počítať aj s adekvátne väčším počtom nosných konštrukcií, potrubí, teplonosnej kvapaliny a ostatného montážneho materiálu a samozrejme práce. Okrem spomínaných zvýšených nákladoch sa pri väčšom ako „rozumnom“ počte začnú kolektory v určitom (najmä letnom) období dostávať do stagnačného stavu. Je to stav, kedy teplota na kolektoroch stúpne nad určitú hodnotu a tým pádom, že solárny zásobník je nahriaty na požadovanú teplotu kolektory v tom čase ďalšiu energiu do systému neodovzdávajú.
Graf 3 Prehrievanie kolektorov
Na znázornenom grafe (Graf 3) vidieť teploty, ktoré by sa na kolektoroch dosiahli, pri počte 60 kolektorov je to 150 °C (pri 80 ks až 160 °C). Vo všeobecnosti kolektorom takéto prehrievanie nerobí problémy (stagnačná teplota kolektora je na úrovni cca 190 °C) a ak je nadimenzovaná aj správna veľkosť expanznej nádoby, tak to nie je technický problém. Znižuje sa tým však životnosť teplonosnej kvapaliny a taktiež sa prehrievaním kolektorov znižuje ročný energetický zisk, keďže potenciál kolektorov nevieme naplno využiť. Spomínaný prvý limitujúci faktor ohraničenej dennej spotreby spočíva v tom, či dokážeme využiť všetku energiu z kolektorov počas aktuálneho alebo nasledujúceho dňa. Pri spotrebe teplej vody 4000 I/deň nám ju v požadovanom množstve a teplote 60 ks (alebo 80 ks) kolektorov ohreje od východu slnka do popoludnia. Zvyšnú časť dňa až do západu Slnka sú kolektory počas letných dní nevyužité a stagnujú.
Tab. 1 Porovnanie modelových systémov
Pri zhrnutí jednotlivých návrhov vidieť z tabuľky (Tab. 1) a grafu (Graf 4), že 60 a 80 kolektorov by nemalo veľký zmysel. Z už povedaného vieme, že by dochádzalo jednak k prehrievaniu a po druhé k nízkemu mernému energetickému zisku z jednotky plochy kolektora. Lepšie to už vyzerá pri 20 a 40 kolektoroch. Hoci pri 20 kolektoroch máme vysoký energetický zisk z kolektorov, tento systém je poddimenzovaný, ročná úspora energie na ohrev vody je len 37 %. Ako maximálny „rozumný“ počet kolektorov nám teda vychádza 40 ks, pri ktorých je dosahovaná úspora na ohreve vody až 58 % s primeraným merným energetickým ziskom. Praxou je potvrdené, že energetický zisk z kolektorov v rozmedzí 520 – 620 kWh/m2/rok je prijateľný čo sa týka vyváženosti systému. Samozrejme, niektorému investorovi môže aj úspora z 20 kolektorov vyhovovať s ohľadom na jeho investičné možnosti.
Graf 4 Grafické porovnanie modelových systémov
Pri rodinných domoch je cirkulácia TÚV zriedkavejšia, no pri bytových domoch ide o bežnú vec. Netreba pritom zabúdať, že cirkulačné straty v rozvodoch tvoria vo väčšine prípadov viac ako 50 % spotreby tepla na ohrev TÚV, záleží od veku a technického stavu. Preto pri reálnom návrhu je potrebné uvažovať aj s týmto parametrom.
Aj keď by sa mohlo zdať, že čím viac tým lepšie, záverom treba konštatovať, že sa netreba hnať za veľkými počtami kolektorov, ktoré neprinesú ten správny efekt. Návrh netreba podceniť a je dobré sa obrátiť na odborníkov, ktorí dokážu v danej problematike poradiť a doviesť váš zámer do úspešného konca.
Ing. Alfréd Gottas, Ing. Ondrej Dobrocký
