Solárne sústavy na prípravu teplej vody na panelových domov

V dnešnom období zatepľovania fasád a výmeny okien v panelových domoch a v súvislosti s postupným znižovaním ich energetickej náročnosti sa príprava teplej vody zaradila na popredné priečky v spotrebe energie. V snahe znížiť energetickú náročnosť prípravy teplej vody sa využitie slnečnej energie javí ako jednoduché a elegantné riešenie tohto problému.

Solárne sústavy v panelových domoch

 Využitie slnečnej energie na prípravu teplej vody v panelových domoch je na jednej strane energeticky výhodné vzhľadom na celoročné zabezpečenie a relatívne rovnomerný odber tepla (napríklad v porovnaní s vykurovaním), na druhej strane však musí rešpektovať daný typ domu, konštrukčnú sústavu, dispozičné podmienky (nielen umiestnenie solárnych kolektorov, ale aj solárnych zásobníkov), systém prípravy teplej vody, prípadne zdroj tepla (plyn, elektrina, centralizované zásobovanie teplom), ktorý je v danej lokalite k dispozícii. Samotnému rozhodnutiu o inštalácii solárnej sústavy by preto mala predchádzať štúdia uskutočniteľnosti, ktorá posúdi možnosti realizácie a varianty návrhu, hospodárnosť inštalácie a vyhodnotí súvisiace riziká.
 
Prevádzková účinnosť solárnej sústavy
Vzhľadom na odlišné klimatické podmienky a rôzne úrovne dopadajúcej slnečnej energie sa bude v rôznych lokalitách a rôznych rokoch hodnota využitých tepelných ziskov solárnej sústavy líšiť. Na základe využiteľných tepelných ziskov zo slnečnej energie dopadajúcej v mieste inštalácie na plochu kolektorov sa stanoví celková účinnosť solárnej sústavy. Účinnosť solárnych kolektorov závisí aj od ich orientácie a sklonu (optimálne 45° na účely prípravy teplej vody). Porovnanie rozličných orientácií a uhlov sklonu vidieť na obr. 1.
Účinnosť solárnej sústavy charakterizuje energetickú kvalitu solárnej tepelnej sústavy bez ohľadu na klimatické podmienky. Účinnosť sústavy závisí tak od kvality použitých prvkov (kolektor, zásobník, výmenník, tepelná izolácia, regulácia, hydraulické zapojenie), ako aj od dimenzovania plochy kolektorov na potrebu tepla.

Obr. 1 Porovnanie rozličných orientácií a uhlov sklonu solárnych kolektorov a) ročný profil teoretických dávok slnečného žiarenia dopadajúcich na rôzne sklonené plochy, b) celkové množstvo energie, ktorá ročne dopadne vzhľadom na rôzne umiestnenie kolektorov

Energetické parametre solárnych sústav
Základom návrhu a hodnotenia solárnych sústav na prípravu teplej vody je správne stanovená spotreba tepla, ktorú má solárna sústava pokryť, a skutočne využité tepelné zisky solárnej sústavy. Stanovenie reálnych prínosov solárnej sústavy slúži ako podklad na energetické (úspora energie), ekologické (úspora emisií) a ekonomické (návratnosť) hodnotenie solárnych tepelných sústav.
 

Návrh plochy solárnych kolektorov

Predpoklady na úspešnú technickú realizáciu solárnych sústav v panelových domoch zahŕňajú kvalitnú analýzu prevádzkových podmienok (čas prevádzky, spotrebiteľská náročnosť, životný štýl obyvateľov, ročný profil spotreby atď.), možnosti umiestnenia solárnych kolektorov s ohľadom na architektonickú koncepciu domu a okolia, ako aj priestorové nároky na súvisiace technológie (zásobník, rozvody).

Obr. 2 Ročný merný profil spotreby teplej vody na bytové domy (percentuálne rozloženie)	Obr. 3 Priebeh teoreticky využiteľných tepelných ziskov a skutočne využitých ziskov solárnej sústavy na prípravu teplej vody pri rôznom solárnom pokrytí (orientačný príklad)

Pri návrhu solárnych sústav na prípravu teplej vody v panelových bytových domoch je zásadnou obmedzujúcou podmienkou skutočnosť, že v letnom období nie je k dispozícii žiadny „spotrebič tepla“ na využitie letných ziskov. Dimenzovanie solárnej sústavy je tak obmedzené plochou kolektorov na pokrytie letnej potreby teplej vody. Predimenzované solárne sústavy v panelových domoch môžu viesť k prevádzkovým problémom spojeným so stagnáciou v letnom období (var teplonosnej látky vo veľkej ploche kolektorov, prenikanie prehriatej pary do rozvodov, nebezpečenstvo poškodenia aj prvkov vzdialených od kolektorového poľa) a k zníženiu merných ročných využitých tepelných ziskov solárnej sústavy, ktoré sa pri bytových domoch všeobecne viac zohľadňujú z dôvodu sledovania ekonomických parametrov inštalácie.
Na obr. 3 je znázornená bilancia solárnej sústavy na prípravu teplej vody s rôznym pokrytím potreby tepla. Z grafu je zrejmé, ako vplyvom predimenzovanej plochy výrazne rastú letné nevyužiteľné prebytky, zatiaľ čo zodpovedajúce pokrytie už tak výrazne nerastie.
 
Energetické prínosy sústavy – využité solárne zisky
Solárnu sústavu možno z hľadiska jej energetických prínosov zhodnotiť niekoľkými spôsobmi:

• prevádzkovým meraním,
• počítačovou simuláciou,
• zjednodušeným výpočtom.

Príklady umiestnenia kolektorov

Najčastejším a najjednoduchším spôsobom inštalácie solárnych kolektorov na panelových domoch je ich umiestnenie na plochej streche panelového domu. Aj tu sa však vyskytujú rôzne problémy. Pri inštalácii solárnych kolektorov môže často prekážať zástavba alebo zariadenia nachádzajúce sa na streche. Ide najmä o strojovne výťahov, rozličné nadstavby, vyústenie vzduchotechniky, antény mobilných operátorov alebo wi-fi. Z toho vyplýva, že vo väčšine prípadov sa nedá využiť celá plocha strechy a inštalovať pôvodne požadovaný výkon kolektorov. Ďalším problémom, ktorým sa treba detailne zaoberať, je kotvenie kolektorového poľa na streche. Kolektory možno kotviť gravitačne, dodatočným priťažením alebo mechanicky. Pri gravitačnom kotvení treba počítať so zvýšeným statickým pôsobením na strešnú konštrukciu. Pri mechanickom kotvení je nevyhnutný zásah do konštrukcie strechy, pričom pri nekvalitnom vyhotovení hrozí zatekanie do konštrukcie alebo vznik tepelných mostov.

Z estetického hľadiska môžu kolektory narúšať tvar budovy, a teda negatívne pôsobiť na jej vzhľad. Preto sa treba dôkladne zamyslieť nad vhodnou aplikáciou solárnej technológie, ktorou môžeme panelový dom, naopak, oživiť. Príkladom zaujímavej aplikácie solárnych kolektorov je ich využitie ako markíz nad oknami na južnej fasáde, čo v letných mesiacoch rieši nežiaduce tepelné zisky budovy a prehrievanie bytov. Ďalšou aplikáciou môže byť zastrešenie vchodu. Solárne panely možno použiť aj ako zábradlie lodžií a balkónov.

Na lodžiách možno kolektory inštalovať vo zvislej polohe alebo mierne naklonené, čo je z hľadiska účinnosti výhodnejšie. Tu však hrozí nebezpečenstvo poškodenia zo strany užívateľov bytov. Ďalšou možnosťou je integrácia solárnych kolektorov priamo do obvodového plášťa objektu. Napríklad na štítovej stene orientovanej na juh môžu tvoriť vonkajší plášť fasády.

V tomto prípade môžeme kolektory umiestniť dvojakým spôsobom – buď s prevetrávanou vzduchovou medzerou, alebo kontaktne ako súčasť zatepľovacieho systému. Pri kontaktnom vyhotovení sa obmedzí tepelná strata zadnými a bočnými stenami kolektorov a zvýši sa účinnosť solárnej sústavy. Stena, na ktorej sú kolektory inštalované, sa však tepelne namáha. Použitím aplikácie s prevetrávanou vzduchovou medzerou zamedzíme tepelnému namáhaniu konštrukcie za solárnymi kolektormi. V oboch prípadoch je nevyhnutné kotviť panely do konštrukcie  najmä s ohľadom na vznik tepelných mostov.

Ak umiestňujeme solárne kolektory na fasádu alebo lodžie, prípadne ich inštalujeme ako markízy nad oknami, môže ich účinnosť negatívne ovplyvniť tienenie okolitými budovami alebo vegetáciou.
 

Inštalácia solárnych panelov SŠT Zelený pruh

V roku 2006 sa solárne panely inštalovali na administratívnej budove Strednej školy technickej v pražskom Zelenom pruhu. Solárny systém bol navrhnutý na predhrev teplej vody v administratívnej budove, školskú kuchyňu a sprchy v bazéne, ako aj na ohrev vykurovacej vody v administratívnej budove.

V solárnej sústave sa využilo 36 solárnych kolektorov typu Eurosol – FA, ktoré sú umiestnené na zábradlí lodžií na južnej strane objektu. Ostatné zariadenie je umiestnené v suteréne objektu, kde sa nachádzajú výmenník tepla, zásobníky s objemom 2,5 m³ na ohrev vody na vykurovanie a 2 m³ na prípravu teplej vody, ďalej expanzívne a poistné zariadenie, obehové čerpadlá a regulácia sústavy.

Ako teplonosná látka sa využíva nemrznúca zmes Solaren. Ohriata voda vedie v krytom stúpacom potrubí po vonkajšej strane fasády do výmenníka. Nahrievanie a využívanie jednotlivých zásobníkov riadi jednotka MaR.

V septembri minulého roka sa zaviedlo meranie krytia spotreby teplej vody solárnou sústavou, pričom celková potreba teplej vody pre kuchyňu, administratívnu budovu a sprchy je asi 80 m³.

K uvedeným objemom teplej vody treba dodať, že v zime bola solárna sústava naplnená teplonosnou látkou zhruba z troch štvrtín, takže jej potenciál nebol celkom využitý.

V letných mesiacoch je prerušená prevádzka školskej kuchyne a hrozia prebytky energie. Tento problém sa vyriešil sklonom kolektorov, ktoré majú v závislosti od polohy slnka nad horizontom najväčšie solárne zisky na jar a na jeseň.

TEXT: Ing. Jan Antonín, Ing. Jiří Beranovský, PhD., MBA, Ing. Petr Kotek, PhD., Mgr. František Macholda, MBA, Bc. Miroslav Purkert, Ing. Lucie Šancová, Ing. Petr Vogel, spolupráca: Ing. Tomáš Matuška, PhD.
Foto: archív autorov

Recenzoval: Ing. Bořivoj Šourek, Strojnícka fakulta ČVUT v Praze
 
Článok vznikol ako výstup výskumného projektu VAV-SP-3g5-221-07 Komplexná rekonštrukcia panelových domov v nízkoenergetickom štandarde.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.