Teplovodné slnečné kolektory

Na prípravu teplej vody môžeme v lete namiesto kotla použiť slnečné kolektory. Princíp je jednoduchý. Absorbér kolektora zachytáva slnečné lúče a mení ich na teplo.

Teplonosná látka (zmes demineralizovanej vody a nemrznúceho prípravku) sa ohreje v absorbéri a získané teplo dopraví potrubím do tepelného výmenníka (ktorým môže byť akumulačný zásobník alebo zásobníkový ohrievač vody). Odtiaľ sa teplo rozvádza a využíva sa na vykurovanie budovy, na prípravu teplej vody alebo na ohrev bazénov (pri kombinovanom systéme sa v letných mesiacoch môže vykurovací kotol vypnúť). Komplexný solárny systém obsahuje viacero komponentov. Na dodávku slnečných kolektorov možno získať štátnu dotáciu.

Základné typy kolektorov
Nekrytý (najčastejšie plastový) absorbér – používa sa na neveľké zvýšenie teploty, najmä na sezónny ohrev vody v exteriérových bazénoch.

Plochý neselektívny kolektor s jednoduchým zasklením – používa sa predovšetkým v krajinách s vysokou intenzitou slnečného žiarenia. S klesajúcou intenzitou slnečného žiarenia a znižujúcou sa vonkajšou teplotou jeho účinnosť rýchlo klesá, preto je v našich podmienkach použiteľný predovšetkým na sezónny ohrev pitnej vody a bazénov v letnom období.

Plochý selektívny kolektor s jednoduchým zasklením – v našich klimatických podmienkach je najčastejšie používaným typom. Aplikuje sa v systémoch na ohrievanie pitnej vody i vody v bazénoch aj na podporu vykurovania. Ročný energetický zisk v systémoch na prípravu ohriatej pitnej vody sa pohybuje zväčša na úrovni 500 kWh/m².

Plochý vákuový kolektor – jeho veľkou prednosťou je, že v sebe kombinuje vlastnosti plochých kolektorov a vákua ako tepelnej izolácie. Je vhodný najmä tam, kde treba dosahovať vysoké pracovné teploty pri nepriaznivých meteorologických podmienkach, napríklad na celoročný ohrev interiérových bazénov, podporu vykurovania a technologické účely. Vyrába sa na Slovensku.

Rúrový vákuový kolektor – vďaka hlbokému vákuu (rádovo 10^–2 Pa), ktoré tvorí tepelnú izoláciu absorbčnej plochy v sklenej trubici, klesá jeho účinnosť pri zvyšujúcom sa rozdiele medzi teplotou absorbéra a okolitého vzduchu najpomalšie. Nevýhodou je výrazne vyššia cena za jednotku získaného tepla. Tá sa čiastočne kompenzuje vyššími úžitkovými vlastnosťami a dlhoročnou stabilitou parametrov, pretože práve vákuum zabezpečuje ochranu absorbéra pred negatívnymi vplyvmi okolitého prostredia.

Umiestnenie

• Kolektory treba inštalovať na miesto, ktoré nie je zatienené okolitou zástavbou alebo prírodnými prekážkami.
• Najvhodnejšia je orientácia na juh, prípadne s odklonom ±45° (45° odklon od juhu na západ spôsobí asi 5-percentnú stratu na celoročnom zisku).
• Vhodný sklon kolektorov je v rozpätí 30 až 60°, pri menšom uhle sa zvyšuje letný výkon, pri väčšom zasa zimný zisk (v zimnom polroku však dopadne na kolektor menej ako 1/3 celoročného prísunu slnečnej radiácie!).

Komponenty solárnych systémov
Okrem kolektorov sú na správnu funkciu solárneho systému potrebné ďalšie komponenty. Pod pojem príslušenstvo kolektora zahrňujeme tie časti primárneho okruhu, ktoré slúžia na prepojovanie kolektorov navzájom a na pripojovanie kolektorov k ostatným častiam solárneho systému. Ďalej sú to odvzdušňovacie prvky montované priamo na kolektor a puzdro senzora na snímanie teploty kolektora.

Nosná konštrukcia
Spolu s kolektormi je vo väčšine prípadov na relatívne neprístupnom mieste a je pod stálym vplyvom vonkajšieho prostredia. Celohliníkové nosné konštrukcie nevyžadujú žiadnu údržbu a ich životnosť je zhodná so životnosťou kolektorov. Konštrukciu na kolektory možno namontovať na plochú aj šikmú strechu, no možno ju zabudovať aj priamo do strešnej konštrukcie – v takom prípade kolektory nahrádzajú strešnú krytinu.

Zásobníkové ohrievače vody
Používajú sa pri menších solárnych systémoch. Zaužívaný názov pre ne je solárny bojler. Bojler je vybavený výmenníkom s výrazne väčšou teplovýmennou plochou než tie, ktoré sa pripájajú na kotol ústredného vykurovania. Objem bojlera určujeme podľa predpokladanej spotreby teplej vody. Ďalšou dôležitou vlastnosťou solárneho bojlera z hľadiska jeho životnosti je jeho vnútorná povrchová úprava. Medzi korózne najodolnejšie vrstvy patria vrstvy na báze teflónu, keramických povlakov a nehrdzavejúcej ocele.

Pri väčších solárnych systémoch alebo všade tam, kde treba oddeliť jednotlivé okruhy, sa používa samostatný doskový protiprúdový výmenník. Jeho výhodou je najmä vysoká účinnosť a malé rozmery.

Ak sa solárny systém montuje do objektu, kde je už inštalovaný bojler na prípravu teplej vody, možno pred existujúci bojler zaradiť solárny bojler s výmenníkom vhodnej veľkosti. Sériové zapojenie dvoch bojlerov (zásobníkov) je výhodnejšie, pretože nedostatočné rozvrstvenie teplej a studenej vody v jednom bojleri (zásobníku) môže pri paralelnom zapojení negatívne vplývať na energetickú účinnosť slnečných kolektorov. Studená voda sa môže v predradenom solárnom bojleri predhriať zo vstupnej teploty 10 až 15 °C na 25 až 50 °C aj v obdobiach nižšej intenzity slnečného žiarenia (v zime). V dohrievacom bojleri stačí potom zvýšiť teplotu vody už s podstatne nižšou spotrebou energie z iných ako solárnych zdrojov, a to na požadovaných 55 °C.

Pri väčších solárnych bojleroch a zásobníkoch tepla treba brať do úvahy aj nebezpečenstvo rozmnoženia baktérie legionela. Je to valčeková baktéria, ktorá je prirodzenou súčasťou každej sladkej vody; existuje viac ako 30 druhov. Pre zdravie človeka sú však nebezpečné iba niektoré. K rozmnožovaniu tejto baktérie dochádza najrýchlejšie pri teplote 30 až 45 °C. K infekcii môže dôjsť napríklad inhaláciou kontaminovaného aerosólu počas sprchovania.

Obehové teplovodné čerpadlo
Zaisťuje transport teplonosnej kvapaliny medzi kolektorom a výmenníkom tepla. Možno využiť takmer každé teplovodné obehové čerpadlo, ak je navrhnuté pre obvody plnené roztokom propylénglykolu (výnimočne sa môže stať, že tesnenia v čerpadle pôsobením propylénglykolu stratia tesniacu schopnosť).
Keďže výkon väčšiny čerpadiel prevyšuje požadovanú hodnotu, je vhodné využívať viacstupňovú reguláciu otáčok čerpadla alebo použiť regulátor s elektronickou reguláciou. Na zamedzenie cirkulácie kvapaliny v protismere sa do obvodu čerpadla musí namontovať spätná klapka. Môže byť vodorovná alebo zvislá, na funkciu to nemá vplyv.

Spojovacie potrubie
V primárnom okruhu potrubie treba dimenzovať na teplotu 180 °C a tlak podľa použitého poistného ventilu. Svetlosť potrubia sa určuje podľa jeho dĺžky a počtu kolektorov.

Pre izoláciu platia také isté požiadavky ako pre izoláciu akéhokoľvek teplovodného potrubia okrem toho, že izolačný materiál vo vonkajších priestoroch musí mať nevlhnúcu úpravu a musí byť odolný proti pôsobeniu UV žiarenia. Zároveň treba zohľadniť, že pri výpadku obehového čerpadla teplota na prípojných miestach zberných rúr kolektora môže dosiahnuť 160 až 180 °C. Preto na tieto časti primárneho okruhu, vrátane častí potrubia medzi kolektorovým poľom a výmenníkom tepla, je neprípustné (!) používať izolácie na báze plastov; treba použiť izolácie na báze minerálnych látok, ktoré majú požadované vlastnosti.

Odvzdušňovač, odplyňovač
Základným predpokladom dobrej cirkulácie teplonosnej kvapaliny je dokonalé odstránenie zvyškov vzduchu z hydraulického systému. Odvzdušňovač sa využíva na odvzdušnenie systému pri plnení a na odvedenie vzduchu, ktorý sa z teplonosnej kvapaliny postupne uvoľňuje pri zohrievaní. V zásade možno využiť ručný odvzdušňovací ventil alebo odvzdušňovaciu nádobu s ručným výpustným ventilom. V najvyššom bode systému je ručný odvzdušňovací ventil, ktorý sa využije pri prvom plnení. V ľahko prístupnej časti sa za obehové čerpadlo zaradí automatický absorpčný odplyňovač.

Expanzná nádoba, poistný ventil
Pri použití bežných uzatváracích a regulačných armatúr (kohútov, ventilov), závitových spojov a expanzných nádob s gumovou membránou nie je možné zabrániť veľmi pomalému, avšak trvalému vnikaniu vzduchu (difúzii) do uzatvoreného primárneho okruhu. Solárny systém sa montuje zásadne ako uzavretý s uzavretou expanznou nádobou. Dimenzovanie expanznej nádoby závisí od celkového objemu kvapaliny v systéme a od výkonu zdroja tepla. Pre solárne systémy sú výhodnejšie nádoby s vyšším pracovným pretlakom – systém je menej náchylný na zavzdušnenie. Menovitý objem expanznej nádoby je približne 6 litrov na kolektor. Maximálny pracovný pretlak je 600 kPa. Poistný ventil sa dimenzuje podľa maximálneho pracovného pretlaku, ktorý je daný najčastejšie maximálnym pretlakom kolektora alebo maximálnym pretlakom expanznej nádoby, ak je ten nižší.

Prídavné zariadenia
Solárny systém môže pracovať i bez prídavných zariadení, ale tieto zariadenia funkciu solárneho systému zlepšujú. Sú to:
Filter mechanických nečistôt – zachytáva piliny a iné mechanické nečistoty, ktoré sa v systéme môžu objaviť hlavne počas montáže.

Tlakomer – je dôležitý pri spúšťaní systému a na jeho kontrolu počas prevádzky. Postačuje tlakomer s priemerom 63 mm, rozsah volíme podľa maximálneho pretlaku v systéme.

Teplomer – najvhodnejší je bimetalový so stopkou s rozsahom do 150 °C. Montuje sa do potrubia prívodnej vetvy od kolektora pomocou na to určeného puzdra. Ak regulátor zobrazuje teploty na displeji, bimetalové teplomery nie sú nutné.

Prietokomer – využíva sa na pohodlné a rýchle nastavenie optimálnych prevádzkových parametrov solárneho systému.

Čerpadlo, teplomery, manometer, poistný ventil, spätná klapka, napúšťací a vypúšťací ventil a uzatváracie armatúry sú zvyčajne zmontované do kompaktného celku, ktorý výrazne zjednodušuje a zlacňuje montáž.

Elektronický regulátor, snímače teploty
Systémy s nútenou cirkuláciou sú vybavené elektronickým regulátorom. Regulátor jednookruhového systému spustí obehové čerpadlo vždy, keď je na kolektore vyššia teplota než v spotrebiči tepla (vo väčšine prípadov v zásobníku teplej vody). Regulátory viacokruhových systémov okrem toho prepínajú okruhy jednotlivých spotrebičov medzi sebou. Na trhu je viac druhov regulátorov zahraničnej aj domácej výroby. Ich cena sa odlišuje najmä preto, že tie drahšie z nich čerpadlo nielen zapínajú a vypínajú, ale aj regulujú jeho otáčky tak, aby sa dosiahol optimálny prietok. Regulátory viacokruhových systémov majú rôzne doplnkové funkcie.

Pri prepínaní okruhov viacokruhového systému sa prednostne nabíja teplom okruh, ktorý pracuje pri najvyššej teplote. Ak teplota tohto okruhu dosiahne maximálnu hodnotu alebo intenzita slnečného žiarenia poklesne natoľko, že do tohto okruhu sa už energia nemôže účinne odovzdávať, prepne sa samočinne na druhý, prípadne takým istým spôsobom na tretí okruh. Prvým okruhom je vo väčšine prípadov zásobník teplej vody, druhým môže byť prikurovanie vnútorných priestorov, tretím okruhom vyhrievanie vody v bazéne.

Každý regulátor sa dodáva so snímačmi teploty a môže sa používať len s nimi alebo so snímačmi zhodných parametrov.

Okrem týchto prvkov sa môžu v špeciálnych prípadoch vyskytovať aj ďalšie doplnkové prvky.

V záujme čo najväčšieho solárneho zisku sa treba riadiť pravidlom – čím je teplota spotrebiča nižšia, tým viac energie sa dá z kolektorov získať. V našich podmienkach sú najvhodnejšie systémy s nútenou cirkuláciou teplonosnej kvapaliny – ich ročný energetický zisk oproti gravitačným systémom je o 20 až 25 % vyšší. Nešetrite na kvalitnej regulačnej technike – dnešné moderné mikropočítačové regulátory už nielen zapínajú a vypínajú čerpadlo, ale zmenou jeho otáčok nastavujú optimálny prietok teplonosnej kvapaliny. Teplonosná kvapalina musí odolávať teplotám až do –30 °C a nesmie byť agresívna k prvkom primárneho okruhu. Z ekonomického hľadiska je obvykle výhodnejšie plochu kolektorov mierne poddimenzovať – väčšinou je aj tak pripojený aj iný zdroj energie na ohrev. Overená fyzická životnosť kolektorov je 25 až 30 rokov, tomu by mala zodpovedať aj životnosť strechy alebo iného podkladu, ku ktorému sa kolektory upevňujú. Najjednoduchšia a najlacnejšia inštalácia solárneho systému je vtedy, ak sa s kolektormi ráta už v projekte stavby a keď sa počas výstavby urobí aspoň základná príprava na prípadnú dodatočnú realizáciu.

Ing. Ján Tomčiak
Foto: Dano Veselský, Vaillant, Viessmann