Integrace solárních soustav do panelových budov

Úvod

Při návrhu solární soustavy pro bytový panelový dům je nutné kromě vlastního dimenzování plochy kolektorů a objemu akumulačního zásobníku [2] také řešit její integraci do budovy z hlediska architektonického (vzhledově zakomponovat solární kolektory do obálky budovy), konstrukčního (konstrukční vazby mezi kolektory či zásobníky a budovou) a systémového (zapojení solární soustavy do tepelného hospodářství budovy, případně sídlištního celku).

Architektonická integrace

Pro návrh solární soustavy je důležitou informací, jaká plocha budovy je k dispozici pro instalaci solárních kolektorů, resp. jakou potenciální plochu kolektorů při předpokládaném sklonu kolektoru je možné instalovat vzhledem k potřebě tepla, která by měla být kryta. U panelových domů často prostorové podmínky na střechách neodpovídají potřebě tepla a je nutné volit dimenzování solární soustavy s nižším solárním podílem než je investorem požadovaná hodnota.

Obr. 1 - Omezení prostoru pro potenciální instalaci kolektorů na plochých střechách panelových domů

Při požadavku na instalaci solárních soustav na ploché střechy panelových domů na sídlištích se často vyskytuje problém s umístěním kolektorového pole. Časté jsou kolize se zástavbou na střeše (viz obr. 1). Jde především o strojovny výtahů, zakončení větracích soustav nad střechou, zařízení komunikačních sítí GSM, WiFi, umístění reklamních poutačů, apod. Při aplikaci solárních kolektorů na střechy domů, zvláště v sídlištní zástavbě, je nutné dbát i na estetické hledisko. Kolektorová pole na plochých střechách mohou vzhledově rušit (netvoří kompaktní součást budovy). V krajním případě je architektem odmítnuta celá solární soustava, neboť neodpovídá jeho požadavkům na celkový vzhled a architektonický koncept budovy. Je třeba hledat způsob zakomponování solárních kolektorů do stávajícího tvaru budovy, nebo jimi vytvořit tvar, který budově dodá nový architektonický rozměr, případně poslouží přímo jako funkční prvek na budově (architektonická integrace). Příkladem takové architektonické integrace jsou solární kolektory využité jako stínicí prvky nad okny nebo zastřešení vstupního vchodu (viz obr. 2). Výhodou použití solárních kolektorů pro stínění oken je, že sluneční energie, která by způsobovala nežádoucí tepelnou zátěž prostoru, je nejen "odstíněna", ale navíc cíleně využita pro další účely (příprava teplé vody). Jinou možností architektonického zakomponování solárního kolektoru do obálky panelového domu je ve funkci výplně zábradlí lodžií, kdy kolektor je instalován ve svislé poloze (90°) nebo s mírným sklonem (do 75°). Příklad instalace kolektoru jako součást zábradlí lodžie je uveden na obr. 3.

Obr. 2 - Kolektor jako markýza na panelovém domě (Dunaújváros, Maďarsko [2])

Obr. 3 - Umístění kolektorů na lodžiích panelového domu (SOU Zelený pruh, Praha)

Konstrukční integrace

Pokročilým způsobem umístění solárních kolektorů na panelovém domě je integrace solárního kolektoru do obvodového pláště (konstrukční integrace). Solární kolektory integrované do fasády rozšiřují základní vlastnosti solární soustavy o další funkce jako pasivní tepelné zisky fasády z kolektoru, ochrana konstrukce fasády proti atmosférickým vlivům (nahrazení finální vrstvy fasády). Integrace solárního kolektoru jako součást zateplovacího systému, kdy kolektor nahrazuje vnější část fasády, navíc zvýhodňuje ekonomicky solární soustavu. Z tradičního konceptu energeticky ztrátového pláště budovy se takové řešení posouvá ke konceptu pláště budovy jako zdroje energie. Konstrukčně integrovaný kolektor může být s budovou tepelně svázán nebo oddělen vzduchovou mezerou. U kontaktní integrace tepelná vazba mezi solárním kolektorem a budovou zvyšuje účinnost solárního kolektoru (snížení tepelné ztráty zadními a bočními stěnami kolektoru). Vnitřní prostředí budovy je pak obecně ovlivňováno provozem solárního kolektoru v závislosti na stupni zateplení konstrukce s kolektorem (u dobře zateplených budov je však vliv minimální). Provětrávaná vzduchová mezera u oddělené integrace na jedné straně ruší tepelnou vazbu mezi kolektorem a pláštěm budovy, na druhé straně snižuje teplotní namáhání vrstev obvodové konstrukce za kolektorem a slouží pro případný odvod vlhkosti prostupující stěnou (zamezení akumulace vlhkosti v konstrukci).

Obr. 4 - Roční profil dávek slunečního ozáření na různě skloněné plochy

Obr. 5 - Porovnání variant řešení přípravy teplé vody solárními kolektory vestavěnými do fasády a instalovanými na střeše

Pro porovnání funkce fasádního kolektoru s kolektorem umístěným na ploché střeše panelového domu (pod libovolným sklonem) jsou na obr. 4 zobrazeny roční profily teoreticky dopadlé sluneční energie (denní dávky slunečního záření). Umístění fasádního kolektoru (90°) vede ke snížení roční dopadlé sluneční energie (dávky ozáření) cca o 30 % v porovnání s optimálním sklonem 45° (v podmínkách ČR). Profil slunečního ozáření v průběhu roku ukazuje velké rozdíly mezi letními špičkami a zimním obdobím u kolektorů se sklonem 45°, zatímco u fasádního kolektoru je profil relativně rovnoměrný, více odpovídající potřebě tepla na přípravu teplé vody (TV) během roku.

Na obr. 5 jsou uvedeny křivky solárního podílu pro zajištění průměrné denní potřeby tepla na přípravu TV v běžném bytě odpovídající 150 l/den v závislosti na potřebné ploše kolektoru. V grafu jsou porovnány solární podíly a celkové doby stagnace při provozu solární soustavy pro kolektory umístěné na střeše (45°, černá barva) a kolektory integrované do fasády budovy (šedá barva). Z grafů je patrné, že zatímco u úsporně dimenzovaných solárních soustav je nutné u fasádních kolektorů pro dosažení solárního podílu 50 % zvýšit plochu o 35 % oproti kolektorům instalovaným na střeše, u solárních soustav dimenzovaných s vyšším podílem na přípravě TV se potřebná plocha fasádních kolektorů přibližuje potřebné ploše kolektorů na střeše s optimálním sklonem. U solární soustavy s pokrytím nad 70 % jsou potřebné plochy u obou variant zhruba stejné, nicméně kolektory s optimálním sklonem vykazují v letním období výrazné maření solárních zisků a vysokou úroveň problematické stagnace (solární soustava zatížena extrémními tepelnými podmínkami [4]). Fasádní kolektory jsou v tomto směru do určité míry autoregulačním prvkem (sluneční záření se v letním období výrazněji odráží) a úroveň stagnace je minimální.

Systémová integrace

Zapojení solárních soustav pro bytové panelové domy je obecně závislé na stávajícím nebo uvažovaném způsobu přípravy teplé vody (centrální, lokální). Možností zapojení vlastní solární soustavy je velké množství, je vždy nutné přihlížet k místním podmínkám, požadované funkci, požadovanému solárnímu pokrytí. Každá soustava by měla být optimalizována pro daný provoz.

Na obr. 6 je znázorněno řešení solární soustavy s více zásobníky. Řešení je vhodné pro rekonstrukce, rozdělení potřebného akumulačního objemu do více zásobníků zohledňuje jejich maximální velikost pro transport. Pro lepší využití sluneční energie může být sekundární okruh výměníku solární soustavy zapojen do dvou teplotních úrovní v objemu vyrovnávacích zásobníků. Provoz je řízen na základě porovnávání teploty v horní a dolní části zásobníků a teploty na výstupu z deskového výměníku (otevírání el.mag ventilů). Řešení umožní částečné teplotní vrstvení, především udržovat v horní části zásobníků pohotovostní objem teplé vody pro využití (zvýšení solárního pokrytí). V zapojení je zohledněna také možnost zapojení cirkulace do vyrovnávacích zásobníků, aby bylo možné tepelné ztráty cirkulací pokrýt solárními zisky. Zapojení cirkulace do dohřívacího zásobníku může způsobovat jeho vychlazování a časté spínání dodatkového zdroje tepla. V primárním okruhu solární soustavy je zapojen směšovací ventil pro náběh teplonosné látky na provozní teplotu bez degradace teplot v zásobníku vlivem vychladlého primárního okruhu (u rozsáhlých primárních vedení). Nevýhodou soustav s více vyrovnávacími zásobníky jsou zvýšené tepelné ztráty vzhledem k nevýhodnému poměru povrchu pláště k objemu zásobníků.

Obr. 6 - Solární soustava s dvěma paralelně řazenými vyrovnávacími zásobníky
a pohotovostním zásobníkem

Jako velmi efektivní a nákladům příznivé se ukázaly soustavy s velkoobjemovým centrálním vyrovnávacím zásobníkem a pohotovostním dohřívacím zásobníkem (viz obr. 7). U těchto variant soustav je pohotovostní zásobník teplé vody dimenzován jako pokud možno malý a slouží jen k pokrytí špičkové potřeby. Často se může jednat o stávající přípravu TV, které se předřadí ještě maloobjemový předehřívací zásobník. Jelikož objemy vyrovnávacích zásobníků tepla pro bytové domy se pohybují v řádech jednotek až desítek m³ může zvláště při rekonstrukcích docházet k problémům s realizací těchto velkoobjemových zásobníků např. v prostorách suterénů panelových bytových domů. Transport předem vyrobených zásobníků zpravidla nepřipadá v úvahu (nutnost bourání obvodové stěny), a omezuje se pouze na novostavby. Přednost se dává na místě vyrobeným netlakovým zásobníkům tepla (rekonstrukce). Netlakové zásobníky svařené na místě instalace, případně zpevněné rozpěrami pro zvýšení pevnosti, mohou být vyrobeny s použitím menšího množství materiálu (levněji) než klasické tlakové zásobníky. Potom je však nutné oddělit přípravu teplé vody od akumulačního (vyrovnávacího) zásobníku výměníkem tepla.

Na obr. 7 jsou pro řízení teplotního vrstvení ve vyrovnávacím zásobníku využity stratifikační vestavby jednak na straně přiváděné teplé vody z výměníku okruhu kolektorů a jednak na straně vracející se vychlazené vody z výměníku dohřívacího zásobníku. Stratifikační vestavby účinně eliminují promíchávání vrstev zásobníku.

Obr. 7 Solární soustava s centrálním zásobníkem se stratifikací a předehřívacím
zásobníkem zapojeným přes pohotovostním (rekonstrukce)

Velkoplošné soustavy pro bytové domy je vhodné provozovat s nízkým průtokem teplonosné látky (low-flow, 8 až 15 l/h.m² kolektorové plochy). Z nízkých průtoků vyplývají menší průměry potrubí, menší potřebné výkony čerpadel a díky menším povrchům potrubí i nižší tepelné ztráty potrubí. Použití menšího množství materiálu vede pak i k nižší ceně soustavy. Solární soustavy s nízkým průtokem a vyšším teplotním spádem na kolektorech však předpokládají použití zmíněných zásobníků s řízeným teplotním vrstvením objemu.

Poděkování

Příspěvek byl vypracován s podporou projektu VaV-SN-3-173-05 Integrace zařízení pro využití obnovitelných zdrojů energie do struktury budov.

Odkazy

[1] Matuška, T.: Dimenzování solárních soustav pro bytové domy, Portál tzb-info, 2007
[2] Sedlák, J. a kolektiv: Závěrečná zpráva řešení projektu VaV-SN-3-173-05 za rok 2006 a přílohy technologických listů instalací. Prosinec 2006.
[3] Projekt SOLANOVA - Building of Our Future, Solar Supported, Integrated Renovation of Large Residential Buildings and Heat Supply Systems (Contract No. NNE5-2001-923), European Commission, 5th Framework Programme, 2003-2006.
[4] Matuška, T.: Problematika stagnace u solárních tepelných soustav, dostupné na internetovém portálu TZB-info, ze dne 14.8.2006. ISSN 1801-4399.