Solárne kolektory a zásobníky tepla

Svetová spotreba energie sa denne zvyšuje a z tohoto dôvodu je nevyhnutné hľadať nové možnosti nahradenia fosílnych palív palivami, ktoré pochádzajú z obnoviteľných zdrojov energie. Jednou z možností je využitie slnečného žiarenia. Slnečné žiarenie možno zachytiť pomocou slnečných kolektorov a ďalej využiť na prípravu teplej vody a podporu vykurovania v budovách.

Problematika obnoviteľných zdrojov energie je v súčasnosti veľmi aktuálna. Pozornosť jej venuje ako odborná, tak aj laická verejnosť, ktorá sa zaujíma skôr o efektívnosť a energetickú výhodnosť takýchto systémov. Automaticky sa dáva do súvislosti so šetrením životného prostredia, a to vo forme znižovania množstva oxidu uhličitého v ovzduší a spotreby fosílnych palív.

Z obnoviteľných zdrojov energie sa v podmienkach Slovenskej republiky najviac využíva vodná energia a biomasa, v menšej miere aj solárna energia. Dôležitým faktom je, že množstvo slnečného žiarenia dopadajúce na zemský povrch tisícnásobne prevyšuje celkovú spotrebu energie ľudstva. Za necelú hodinu dopadne na zemský povrch také množstvo energie, ktoré by ľudstvo spotrebovalo za jeden rok. Práve z tohto dôvodu sa slnečnej energii pripisuje najväčší potenciál, čím sa jej význam v oblasti energetickej sebestačnosti bude naďalej zvyšovať.

Fototermálna premena slnečného žiarenia
Najdôležitejšími prvkami solárnych systémov, ktoré zabezpečujú fototermálnu premenu slnečného žiarenia na využiteľnú energiu, sú slnečné kolektory a zásobníky tepla. Najčastejšie sa využívajú na ohrev úžitkovej vody, bazénovej vody a na podporu vykurovania v budovách.

Najbežnejším a najprístupnejším riešením pre ľudí žijúcich v rodinných domoch je kombinácia solárnych kolektorov a zásobníka tepla s krátkodobou akumuláciou. Táto kombinácia predstavuje najvhodnejší pomer investičných nákladov k získanej energii. V takýchto systémoch sa najčastejšie používajú stratifikačné zásobníky tepla, v ktorých dochádza k teplotnému vrstveniu vody. Takéto systémy sú vo väčšine prípadov riešené ako bivalentné systémy, čo znamená, že okrem slnečných kolektorov je súčasťou systému aj iný zdroj tepla (napríklad elektrická špirála v zásobníku tepla, plynový kotol).

Využitie slnečnej energie podlieha výkyvom slnečného žiarenia v priebehu denného a ročného cyklu, čo predstavuje určité obmedzenie. Množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia na zemský povrch ovplyvňujú také faktory, akými sú poloha a výška Slnka (najviac slnečného žiarenia dopadne na zemský povrch v poludňajších hodinách, keď je Slnko najvyššie), prechod slnečného žiarenia cez atmosféru, oblačnosť a znečistenie ovzdušia. Práve tieto výkyvy slnečného žiarenia možno vykryť pomocou sezónnej akumulácie tepla.

Sezónna akumulácia tepla
Cieľom sezónnej akumulácie tepla je uskladniť teplo získané solárnotermickou konverziou pomocou slnečných kolektorov v období s maximálnou intenzitou slnečného žiarenia a minimálnou potrebou tepla, na obdobie s minimálnou intenzitou slnečného žiarenia a maximálnou potrebou tepla na zásobovanie budovy alebo skupiny budov. Súčasťou takéhoto systému sú slnečné kolektory umiestnené na budovách alebo v blízkosti odberných miest s plochou niekoľkých stoviek štvorcových metrov (obr. 1), zásobník tepla s objemom niekoľko tisíc ­kubických metrov akumulačnej látky (obr. 2) – vody (najlacnejšia akumulačná látka, veľká akumulačná schopnosť) a lokálna sieť rozvodov tepla (obr. 3). Na akumuláciu tepla treba počítať približne 1,5 až 2,5 m3 akumulačnej látky na jeden štvorcový meter slnečných kolektorov.

Samotný prechod od krátkodobej akumulácie na sezónnu akumuláciu tepla umožňuje zvýšiť stupeň solárneho pokrytia z 15 až 30 %, teoreticky až na 100 %, reálne však na 40 až 70 % potreby tepla. Pre vysokú investičnú náročnosť by to však mal byť súčasne prechod od decentralizovaných systémov menších výkonov k centralizovaným systémom SDH (Solar District Heating – solárne diaľkové vykurovanie).

Solárne diaľkové vykurovanie
S výskumom podporujúcim vykurovanie pomocou slnečnej energie sa začalo v severských krajinách, v miestach, kde zima predstavuje veľmi dlhé obdobie s nízkymi teplotami, čo sa odzrkadľuje na vysokej potrebe tepla. Vykurovanie v týchto zemepisných šírkach predstavuje veľmi vysoký podiel z celkovej spotreby energie v krajine.
–>–>

Obr. 3 Zjednodušená schéma sezónnej akumulácie tepla

V prípade vyšších tepelných požiadaviek sa práve sezónna akumulácia tepla s veľkokapacitnými zásobníkmi stáva veľmi zaujímavým riešením, vhodným na pokrytie tepelných potrieb pre mestské časti, sídliská, školy a nemocnice (tab.).

Sezónne zásobníky tepla
Teplota vody v zásobníku tepla sa počas letného obdobia dokáže vyšplhať až na približne 80 °C. Táto teplota sa však vplyvom neustáleho odoberania tepla zo zásobníka na prípravu teplej vody a na podporu vykurovania neustále mení, pretože voda vracajúca sa vratným potrubím do zásobníka má nižšiu teplotu, čím dochádza k znižovaniu teploty vody v zásobníku tepla.

Teplo zo zásobníka sa dá priamo využiť na vykurovanie len do vybitia na teplotu približne 35 °C podľa teploty vratnej vody zo spotrebiteľskej sústavy. Pri existujúcich systémoch to spravidla netrvá dlhšie ako štyri mesiace. Vo zvyšnom vykurovacom období môže zásobník výrazne vychladnúť v dôsledku úniku tepla do okolitého prostredia. Jednou z najdôležitejších vlastností sezónnych zásobníkov je preto schopnosť udržať teplo v zásobníku čo najdlhšie a s čo najmenšími tepelnými stratami do okolia.

Najdôležitejšie inovačné opatrenie sa zakladá na nahradení spontánneho chladnutia zásobníka núteným chladením pomocou tepelného čerpadla, v dôsledku čoho sa zásobník do konca vykurovacieho obdobia ochladí na teplotu 5 až 10 °C a pri súčasnom využívaní tepelného výkonu sa využije na podporu vykurovania v budovách.

Ďalšou možnosťou je využitie vychladeného zásobníka na diaľkové chladenie počas letného obdobia. To znamená, že v letnom období, keď sa zásobník nabíja na teplotu okolo 80 °C, môže akumulovať solárne teplo nielen z kolektorov, ale aj z chladených priestorov v budovách. Integráciou tepelného čerpadla do systému teda môže dôjsť k zvýšeniu akumulačnej kapacity sezónneho zásobníka a jeho transformáciu na zásobník chladu. V konečnom dôsledku sa tak zo systému SDH (Solar District Heating) stane systém SDH/C (Solar District Heating/Cooling – solárne diaľkové vykurovanie/chladenie).

Takéto využitie sezónneho zásobníka v porovnaní so štandardným využívaním kladie zvýšené nároky na kvalitu prípravy a realizácie projektu celého systému, na tepelnotechnické vlastnosti konštrukčných mate­riálov použitých pri výstavbe a správnosť ich aplikácie a v neposlednom rade aj na riadenie procesov nabíjania a vybíjania zásobníka tepla.

TEXT: Ing. Emese Šiváková
obrázky a FOTO: autorka, archív Jaga group

Ing. Emese Šiváková pôsobí v Ústave pozemného staviteľstva Stavebnej fakulty Technickej univerzity v Košiciach.

Literatúra
1.    Solare Nahwärme- und Langzeitwärmespeicher. Wissenschaftlich-technische Programmbegleitung für Solarthermie2000plus, www.solites.de.
2.    Petráš, D. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Bratislava: JAGA GROUP, 2009.
3.    Schultz, H.: Teplo ze slunce a země. Ostrava: vydavateľstvo HEL, 1999.
4.    Schmidt, T. – Mangold, D.: New steps in seasonal thermal energy storage in Germany. USA: International conference on thermal energy storage, Pomona, 2006.
5.    Ladener, H. – Späte, F.: Solární zařízení. Praha: Grada Publishing, 2003.
6.    Böszörményi, L. – Šiváková, E. – Böszörményi, L.: Perspektívy konkurencieschopnosti systému solárneho diaľkového vykurovania a chladenia. Plynár-Vodár-Kúrenár + Klimatizácia, 5/2011, roč. 9.
7.    Böszörményi, L. – Böszörményi, L.: Význam obnoviteľných zdrojov energie v zásobovaní budov teplom, 2011, www.tzbportal.sk.

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov.