Stavíme energeticky úsporný dům (XII) - Solární ohřev TUV

1. Úvod

Z důvodu omezeného prostoru se budeme zabývat pouze solární přípravou TUV, bez dalšího využívání této energie pro ohřev bazénové vody nebo vytápění. Uvažujeme běžný realizovaný RD s vhodnou orientací i sklonem střechy, ve kterém bydlí rodiče se dvěma dětmi. Uvádíme možná bezproblémová technická řešení pro minimalizaci pořizovacích nákladů.

2. Sluneční energie

U konvenčních paliv a energií pracujeme až se stovkami stupňů teploty mezi spalinami a teplonosnou látkou. Pokud dojde k nějaké ztrátě (teplota spalin např. 200 - 400 °C), příliš nás to nevzrušuje, patří to jaksi k normálu. Dokonce tyto ztráty platíme. Sluneční energie nám naproti tomu ohřeje vodu zdarma, ale maximálně jen o pár desítek stupňů proti venkovnímu prostředí. Je to zcela jiné energetické prostředí, které nazýváme nízkopotenciální. Jsme v něm vděčni za každý stupeň teploty směrem nahoru navíc a podle toho k němu musíme přistupovat a s ním "pracovat".

3. Koncepce pro koho?

Velikost solární technologie ovlivňuje nejvýznamněji množství TUV. U realizovaného domu je nejjednodušší provést rozbor spotřeby, protože se vychází z reálného stavu (např. rozborem údajů z vodoměru, faktur za energii, pohovorem s uživateli). U projektovaných RD neznáme hygienické návyky budoucích obyvatel a musíme vycházet z norem, případně dalších požadavků investora, pokud se nám ho podaří do tohoto problému "zatáhnout".
S investorem bychom měli do budoucna alespoň náznakově řešit možnosti úpravy velikosti plochy solárních kolektorů z následujících důvodů např.

1. směrem dolů:
   • vzrůstem vodného a stočného
   • odchodem dítěte z domu
   • výměnou vany za sprchový kout
2. směrem nahoru:
   • rekonstrukcí hygienického zařízení k vyššímu standardu
   • narozením dalšího dítěte
   • odpojením od veřejného vodovodu a připojením na vlastní studnu se zajištěnou vydatností po celý rok atd.

4. Solární soustava

Soustava by měla být co nejjednodušší, rozvody co nejkratší, připravená k dalším možným úpravám podobně jako se jedná o jiné změny (přestavby) v bytě nebo domě. Mělo by se alespoň projednat, co by znamenalo event. možné budoucí rozšíření pro větší potřebu TUV, vytápění či bazén a pokud s tím investor počítá, řešení soustavy TUV k tomu (kde to lze) přizpůsobit. Řešení, kdy navrhnout samostatné kolektorové pole pro celoroční TUV, samostatné kolektorové pole pro zimní vytápění a letní ohřev bazénové vody, nebo jediné společné pole pro všechny způsoby využití (trojkombinace) se složitějším systémem už počítačové regulace, zatím neřešíme.

5. Výpočet

Plochu kolektorů lze spočítat na desetiny m², ale musíme použít vždy celé kolektory, např. 2, 3, 4 i 5 kusů podle velikosti. Primární okruh musí být schopen odvést největší množství tepelné energie, které vzniká v létě v poledne. Jinak by se kolektory přehřívaly a více energie by vyzářily do okolí. Po zbytek dne i roku jsou okruh i oběhové čerpadlo předimenzovány. Doporučuje se volit čerpadlo se třemi přepínacími stupni otáček, které je v zimě nutné ještě dále škrtit.

6. Vazba na konvenční dohřev

Protože je sluneční energie nestabilní zdroj, musí být v každém případě doplněn stabilním dohřevem na vyšší teplotu. To znamená, že před stávající ohřívač TUV se sériově připojí nový solární ohřívač, nebo při skončené životnosti stávajícího ohřívače nový a jediný společný kombinovaný solární ohřívač o větším objemu. Variabilita ve velikostech i materiálech je velká, rozhoduje vnitřní povrch z hlediska jeho možné koroze a nežádoucího zabarvení TUV. Vhodnější je vertikální provedení proti horizontálnímu z důvodu prakticky využívané stratifikace (rozvrstvení) TUV o různé teplotě.

7. Sluneční kolektory

Výběr kolektorů je dostatečný, důležitá je jejich záruka daná vyškolením montážní firmy od výrobce (např. 5 let). Použití plochých, plochých vakuovaných, nebo trubicových kolektorů je opět nad možnosti tohoto článku. Kolektory se z důvodu menšího stínění, zasněžení apod. umísťují pod hřeben střechy, estetičtější jsou horizontální. Jsou však více ochlazovány větrem a je k nim nebezpečnější přístup. Kolektory "nad okapem" mohou být více stíněné stromy, střešními nástavbami, zadržují sníh při jeho tání a sjíždění ze střechy, je k nim však jednodušší přístup ze žebříku z terénu a potrubí k ohřívači je kratší.
Umístění kolektorů nad střešní plášť je sice dražší (zdvojená střecha), ale umožňuje lépe opravy, výměnu kolektorů nebo rozšíření počtu než při jejich integraci do pláště. Dodavatelské firmy nechtějí tento způsob příliš akceptovat, protože i když soustava pracuje výborně, možné zatékání kladnou referenci neguje.
Umístění kolektorů na fasádě nebo na terénu doprovázejí podobná kladná i záporná hodnocení a navíc přistupují další problémy: výstavba montážního lešení, zatékání do omítky, vandalismus, trvalý zábor pozemku atd.

8. Oběhové čerpadlo

Dřívější čerpadla s jedněmi otáčkami vyžadovala např. automaticky řízený obtok. Dnes se používají "tříotáčková", která se mohou během roku ručně přepínat. Ráno je běžné, že čerpadlo několikrát zapne a vypne ("zacykluje"), než se intenzita slunečního záření zvýší. Navečer se "cyklování" opakuje až do úplného skončení provozu. Čerpadlo musí být schopné odvést z kolektorů stejné maximální množství energie dle kapitoly 5. Samostatné měniče otáček jsou pro soustavy v RD drahé.

9. Ohřívač TUV

Ideální je kombinovaný vertikální solární ohřívač s dolní solární vyjímatelnou vložkou a dalším ohřevem TUV ve dvou alternativách:
1. celoročním dohřevem elektrickou energií
2. zimním dohřevem kotlem na ÚT a letním dohřevem el. energií
V prvním případě se jedná o bivalentní, ve druhém o trivalentní soustavu. Regulaci dohřevu si zajištuje regulace příslušné energie.
Někdy je problém ve velikosti topné vložky ve vztahu k ploše kolektorů (rozhoduje opět výkon v létě v poledne!). Někdy se tak velké vložky nevyrábějí nebo se do vertikálního ohřívače nevejdou. Úmyslně neřešíme deskový výměník tepla, protože spolu s dalším oběhovým čerpadlem malou solární soustavu prodražuje.
Pevný vestavěný solární spirálový výměník si postupně snižuje svůj výkon při postupujícím ohřevu (stratifikaci) TUV směrem dolů.
Naprosté většině rodin, které přes den nejsou doma, celodenní postupný ohřev vody nevadí. Ohřívače s řízenou stratifikací TUV spolu s kolektory s nízkým průtokem jsou vhodné např. tam, kde je přes den doma např. matka s dětmi (tak malé systémy nejsou u nás ještě rozšířené).
Velikost ohřívače je nutné řešit podle konkrétní situace. Jeho předimenzování může zisk sluneční energie zvýšit.

10. Legionella

Tytam by měly být doby, kdy se solární TUV využívala v lokálním systému TUV při jakékoliv teplotě a ochrana proti Legionellám se řešila jen u velkých veřejných systémů. V soustavě přípravy TUV by měl být jakýsi "teplotní filtr" s trvalou teplotou 60 °C, přes který by musela veškerá solární předehřátá i ohřátá TUV protéci. Onen filtr tvoří právě sekundární dohřev konvenční energií. Nepředpokládá se, že by některý člen rodiny řízeně a pravidelně ohříval vodu na vyšší teplotu a proplachoval s ní potrubní systém.

11. Mixování TUV

Požadavkem na vyšší teplotu solární TUV se dostáváme do dalšího problému. Čím je teplota TUV vyšší, tím méně jí přitéká do výtokové baterie a tím větším množstvím studené vody ji v baterii ochlazujeme na bezpečnou použitelnou teplotu. Tím méně ale také přitéká studené vody pro solární předehřev. Od podzimu do jara by to nevadilo, v létě to ale vyvolává problémy s přehříváním soustavy. Podrobněji jsem o tomto problému spolu s výpočty referoval v časopise Topenářství instalace.

12. Sekundární okruh

Rozvody TUV by měly být co nejkratší, dobře tepelně izolované a vybavené centrálním termostatickým ventilem hned u ohřívače. Měla by se posoudit i tepelná kapacita materiálu potrubí (druh materiálu, tepelná vodivost, tloušťka stěny), aby ztráta tepla samovolným ohříváním potrubí při občasném použití TUV byla co nejmenší. Je z tohoto pohledu výhodnější slabostěnná měď nebo silnostěnná umělá hmota?

13. Návratnost

Vychází se z ceny energie, která je sluneční energií nahrazována, viz např. tabulka cen paliv a energie na tomto portálu. Výpočet je jednoduchý, ale život je trochu složitější. Je jisté, že fosilní paliva a energie se budou postupně stále zdražovat (jejich zdražení bude trochu zvyšovat cenu nové solární technologie). Slunce bude svítit stále stejně, soustava bude zastarávat a vyžadovat údržbu a nebudeme se mýt každý slunečný den v roce (dovolená, poruchy, výpadky proudu atd.). To znamená, že získanou energii v matematickém vzorci máme, ale prakticky ji nevyužijeme. Skutečná návratnost k ceně nahrazované energie v době pořízení soustavy bude delší. Vzhledem ke vzrůstající ceně energie je však problém řešen v náš prospěch.
V dnešní době se též začíná posuzovat, zda by nebylo vhodnější investovat volné finanční prostředky do finančního trhu (úvěry, cenné papíry). Jsou to obchody, jimiž se na základě místního a časového soustředění nabídky a poptávky uskutečňuje účelné rozdělování peněžního kapitálu na různé potřeby a vytváří se jeho cena. Také se rozhoduje, do kterého z různých projektů vložit peníze, aby bylo dosaženo maximálního výnosu v nejkratší době. Je nutno konstatovat, že z tohoto úzkého neekologického pohledu solární soustavy nevyhrávají.
Soustava pro dvě osoby v domě je ekonomicky méně výhodná než pro 3 - 6 osob (bydlení např. s rodiči).

14. Projekt soustavy

Soustavu je možné dodat "na klíč" vybranou solární firmou přímo nebo si nejprve nechat vypracovat projekt od nezávislého projektanta specialisty. S projektem má investor možnost vyžádat si nabídky od více solárních firem a vzájemně je porovnat. Projekt sice něco stojí, ale projektant je na straně investora a zastupuje ho proti solární firmě.
Dodávka soustavy přímo dodavatelem může před investora postavit některé způsoby řešení i montáže, se kterými vůbec nepočítal, a v argumentech proti koncepci použité dodavatelem bude v nezkušeném postavení oslaben.

15. Další způsob využití sluneční energie

Kdo si to může dovolit, pro pohon oběhového čerpadla lze také využít sluneční energii přeměněnou přímo na elektrickou energii. Ke střešním slunečním kolektorům se přidá fotovoltaický panel a použije se speciální čerpadlo na stejnosměrný proud. Na sluneční záření úměrně reagují otáčky čerpadla a teplo z kolektorů se odvádí také úměrně. Jedná se o nejjednodušší optimální regulaci otáček. Tímto způsobem můžeme mít trvale zajištěnu solární TUV i v době výpadku elektrické energie ve veřejné síti. Ale pozor. Pokud nám dodávku vody zajišťuje domácí vodárna z vlastní studny, "fotovoltaický" pohon fungovat bude, ale TUV stejně nepoteče.

16. Možnosti vývoje

Mělo by se vyvinout oběhové čerpadlo s lacinou vestavěnou regulací otáček závislou na konstantním rozdílu teplot. Skříňka na čerpadle by se propojila kabelem se zástrčkou na samostatně jištěnou elektrickou zásuvku a do dvou zdířek by se připojily vodiče od teplotního snímače z kolektorů a z ohřívače TUV. Rozdíl teplot by se nastavil podle konkrétního případu ručně. Čerpadlo by si potom optimálně samo řídilo své otáčky, výtěžnost sluneční energie z kolektorů by byla vyšší. Současně by byla respektována teplota solární TUV odpoledne. Aby totiž solární médium při pomalé rychlosti z kolektorů do ohřívače tolik nevychladlo, rozdíl teplot by se sám automaticky zvyšoval. Po odběru TUV z ohřívače by se druhý den ráno v závislosti na zbytkové teplotě v ohřívači opět snížil. Odpolední ohřev by byl v mezních případech ukončen při teplotě 80 °C (v létě by nahrazoval občasnou ochranu proti Legionelle zdarma).

17. Závěr

V příspěvku jsou uvedeny nejdůležitější zásady návrhu a zkušenosti z realizovaných solárních soustav. Další možné varianty řešení je nutné posoudit podle konkrétní situace buď s projektantem nebo se solárním dodavatelem, při jehož výběru by se měly zvažovat jeho reference a dopravní vzdálenost. Ideální je výběr minimálně ze tří firem. Záruční doba by měla být vyžádána minimálně jeden rok, aby soustava prošla všemi ročními obdobími.
Připouštíme, že solární soustavy pro TUV pro RD jsou pro většinu našich obyvatel drahé a tím ještě dlouho nedostupné. Aby se co nejvíce rozšířily, měly by být lacinější. Daly by se přirovnat k lidovým vozítkům. "Jezdí" také jako drahá auta, může jich být mnoho, ale komfort řízení, provoz a životnost jsou menší. V těchto malých soustavách je nikdy nekončící řešení problému cena/výkon. Pokud se u nich cokoliv nového lacinějšího podaří vyřešit, je to jen ku prospěchu nás všech. Dal by se jim přisoudit Cicerův výrok: "Omnia praeclara rara - vše dokonalé je vzácné".