Solární soustavy - teorie a schémata (I)

Úvodní slovo redakce
Redakce TZB-info ve spolupráci s katedrou Techniky prostředí - Ing. Bořivojem Šourkem, Ing. Janem Schwarzem a Ing. Tomášem Matuškou, Ph.D. připravila seriál článků na téma Snížení energetické spotřeby v budovách s využitím alternativních zdrojů energie. Jednotlivé příspěvky zahrnují úvod do problematiky, schémata zapojení, technický popis, použití s upozorněním na výhody a nevýhody jednotlivých zapojení. Vznikl tak unikátní ucelený dokument s řadou konkrétních schémat zapojení, která pomohou projektantům ve správné aplikaci a zapojení netradičních zdrojů do otopných systémů.
Jednotlivé příspěvky a schémata zapojení budou vycházet formou týdenních článků a postupně zařazeny do samostatné rubriky - schematická základna. Seriál je rozčleněn do čtyř základních kategorií a to solární soustavy, tepelná čerpadla, kotle na biomasu a samostatná kapitola je věnována kombinovaným systémům pro teplovzdušné vytápění a větrání.

Vše o solárních soustavách a kolektorech na TZB-info včetně aktualizovaných schémat

1. Úvod

Pro realizaci veškerých systémů uvedených v článku a ve schématech zapojení je třeba pro správné fungování a dosažení maximálních energetických úspor předem zajistit určité předpoklady. Zejména to jsou předpoklady:

1. stavebně technické (orientace stavby, tvar a nosnost střechy, prostorové uspořádání ve strojovně a v dalších prostorách)
   
   
2. dostupnosti jednotlivých inženýrských sítí nebo zdrojů tepla (paliva).

Při návrhu novostaveb, případně rekonstrukcí rodinných domů, řadových domů nebo domů bytových, je třeba počítat s volbou zdroje tepla a instalací alternativních zdrojů již při architektonickém a stavebním řešení. Z hlediska nasazení obnovitelných zdrojů by měly být stavebně zohledněny především následující skutečnosti:

1. tepelně-technické řešení obvodového pláště ovlivňuje volbu teplotního spádu teplovodní otopné soustavy případně teplotního spádu (teploty přiváděného vzduchu) teplovzdušného vytápění. Při použití otopných těles (navrhovaných na šířku okna) v novostavbách provedených nad rámec hodnot tepelného odporu konstrukcí doporučených normou ČSN 73 0540-2, je možné snížit maximální teplotu topné vody (75 °C podle vyhlášky 151/2001 Sb.) na hodnotu vhodnou pro použití nízkopotenciálních obnovitelných zdrojů (solární přitápění, tepelná čerpadla), tj. okolo 40°C. Podobně u rekonstrukcí se zachováním stávajících otopných těles (často předimenzovaných) se nadstandardní zateplení objektu projeví v možnosti snížení tepelného spádu soustavy.
   
   
2. dispoziční možnosti stavby ovlivňují typ technologie zásobování teplem. Jde o zajištění prostor pro technického zázemí, např. kotelny či skladu paliva, vedení rozvodů teplonosné látky a jejich začlenění do stavby způsobem, který by umožňoval revizi a pozdější rekonstrukce (přístupnost), architektonické začlenění technologie (solární kolektory, nasávací a výdechové otvory) do obálky budovy.
   
   
3. architektonický návrh prostor pro cílené využití slunečního záření (solární skleníky, zimní zahrady, solární okna)

Rozhodování o celkové energetické koncepci by tak mělo probíhat již při prvních architektonických návrzích spolu s odborníkem na vytápění.

2. Základní požadavky na jednotlivé zdroje tepla

Jedním z důležitých předpokladů při rozhodování o zdroji tepla je lokální energetická koncepce, která by měla být zpracována místním Odborem životního prostředí (plošná plynofikace, připojení na dálkový rozvod tepla, centrální kotelna na biomasu).

Dalším důležitým předpokladem je tzv. "nabídka okolí". Jedná se například o možnost využití geotermální energie, odpadního tepla, nebo nevyužitého dřevního odpadu.

2.1. Solární soustavy

Základním požadavkem pro správné fungování solární soustavy je správná orientace kolektorového pole vzhledem ke světovým stranám. Ideální je orientace jižní s možným odklonem ±30°. Důležitý je sklon kolektorů slunečního záření, a to v závislosti na období, ve kterém se soustava bude provozovat:

1. celoroční provoz - optimální sklon 40° - 45°
   
   
2. sezónní letní provoz - optimální sklon 25° - 35°
   
   
3. zimní sezónní provoz - optimální sklon 60° - 90°

Tyto hodnoty jsou orientační a odpovídají především solárním soustavám pro přípravu TUV. U kombinovaných soustav s přitápěním je návrh skonu kolektorů závislý na celkové energetické bilanci objektu a solární soustavy (Kapitola B3, B4, B5 a B6).

Ve většině instalací se kolektorové pole instaluje na střechu objektu. Podle tvaru střechy mohou nastat dva případy:

Jak u novostaveb, tak u rekonstruovaných objektů nemusí být umístění kolektorového pole vázáno jen na střechu objektu. V některých případech je účelné umístit kolektory na zábradlí balkonů, jako stínící prvek nad okny nebo přímo na jižní fasádu objektu jako součást zateplovacího systému. Jsou to zejména případy, kdy je kladen hlavní požadavek na přitápění a tedy na rovnoměrnost energetických zisků v průběhu roku (Obr. 1). Při instalaci kolektorů do svislé polohy (právě na fasádu nebo balkónové zábradlí) je snížen rozdíl energetických zisků léto - zima; ovšem za cenu poklesu celkového ročního energetického zisku ve srovnání se stejnou plochou se sklonem optimálním pro celoroční provoz.

Obr. 1 - příklad energetických zisků z 1 m² při různém sklonu osluněné plochy (kolektoru)

V případě využití kombinované soustavy (solární soustava + topná soustava) je nezbytné při projektových pracích počítat s přizpůsobením topné soustavy soustavě solární (návrh nízkoteplotní otopné soustavy pro možnost přitápění solární soustavou).

Důležité je také zohlednit dynamiku tepelného chování stavby při výběru otopné soustavy. Například u pasivních domů s malými tepelnými ztrátami je nevhodné použít pouze podlahovou otopnou soustavu pro její dlouhou odezvu na regulační zásah (při náhlém oslunění interiéru dochází k přetápění).

Dále je třeba zvážit možnost využití získané tepelné energie v letních měsících. Je-li například solární soustava navržena jen pro přitápění, bude v letních měsících obrovský přebytek energie. Proto se solární soustava pro přitápění doporučuje navrhovat hlavně tam, kde součástí objektu je například vytápěný bazén provozovaný v přechodovém a letním období nebo jiné využití tepelné energie mimo topné období.

Jinou možností, jak snížit energetické přebytky v letním období, je instalace kolektorů na fasádu nebo se sklonem větším než 70°.