3 Dimenzování solárních zařízení pro ohřev vody

3.1 Spotřeba vody

Pro dimenzování solárního zařízení pro ohřev pitné vody je rozhodující očekávaná spotřeba vody v domácnosti. Ta závisí na zvyklostech uživatelů. Například v rodině, kde je zvykem spíše sprchování, je denní spotřeba teplé vody podstatně nižší než tam, kde se lidé často koupají.

Tab.3: Směrné hodnoty pro odhad denní spotřeby teplé vody

Spotřeba teplé vody litry Teplota(oC)
mytí nádobí na osobu a den 12 - 15 50
mytí rukou 2 - 5 40
mytí hlavy 10 - 15 40
sprchování 30 - 60 40
koupel - normální vana 12 - 180 40
koupel - velká vana 250 - 400 40

Tab.4: Spotřeba teplé vody (45°C) pro různé uživatele

Nízká spotřeba
(litry)		 Střední spotřeba
(litry)		 Vysoká spotřeba
(litry)
obytné domy na osobu a den 30 45 60
sportovní zařízení na jednu sprchu 30 45 60
hostince/restaurace na jedno místo 10 25 45
ubytovací zařízení na jedno lůžko 30 50 100
na jednu sprchu 30 45 60

3.2 Objem zásobníku

Poté, co jsme zjistili denní spotřebu teplé vody, můžeme s její pomocí zvolit objem zásobníku. Ten má činit 2 až 2,5-násobek denní spotřeby, aby bylo umožněno pokrytí spotřební špičky a zároveň překlenutí dnů chudých na sluneční záření.

Příklad:
Při spotřebě teplé vody (o teplotě 45 °C) S=50 litrů na osobu a den činí denní spotřeba domácnosti s počtem osob P=4 asi 200 litrů. Objem zásobníku O se vypočítá následovně:
O = S . P . 2,5 = 50 l . 4 . 2,5 = 500 litrů

Jelikož dodavatelé nenabízí zásobníky všech objemů, je třeba se obeznámit s velikostmi obvyklými na trhu. Zásobník by se však neměl od vypočteného objemu odchylovat o více než 10 % směrem dolů ani o více než 20 % směrem nahoru.
V našem případě by to znamenalo, že vybereme zásobník přímo o objemu 500 litrů, neboť zásobníky obvykle bývají nabízeny ve velikostech 300 (400) a 500 litrů. Požadavky a kritéria, která musí splňovat zásobník pro solární zařízení, budou podrobně popsány v 7.kapitole.

3.3 Předavač tepla

U solárních zařízení, která jsou v provozu mimo nejteplejší letní měsíce, je nutné oddělit solární okruh (s nemrznoucí vodní směsí) od okruhu užitkové vody prostřednictvím předavače tepla.
Dimenzování předavače by měla být věnována zvláštní pozornost, neboť na něm z podstatné míry závisí výkonnost solárního systému. Kromě toho volba předavače tepla úzce souvisí s volbou zásobníku. Pravidla pro dimenzování ploch předavačů nabízí tabulka č.6 v kapitole 3.4.3.

Obr.17: Deskový výměník teplot (vlevo), předavač tepla z žebrovaných trubek (vprostřed). protiproudý předavače tepla trubkový svazkový (vpravo).

V jednoduchých solárních zařízeních, jež jsou typická pro oblast rodinných domů, se používají převážně interní předavače tepla (trubkový hladký nebo trubkový žebrový předavač). Teprve ve složitějších systémech s více zásobníky se používají externí tepelné výměníky (trubkový svazkový nebo deskový výměník).

3.4 Plocha kolektoru

Když je známá denní spotřeba teplé vody, může být stanovena velikost plochy kolektoru. Ta závisí na několika faktorech:
  • typ kolektoru: low-tech (černý nátěr) nebo hi-tech (selektivní povrstvení)
  • stanoviště, sklon a orientace kolektoru
  • velikost solárního zásobníku
  • klimatické podmínky na stanovišti

    3.4.1 Výběr kolektoru

    V zásadě se nabízí několik možností, jak si pořídit solární zařízení. Jednou z nich je pověřit jeho sestavením a instalací firmu, která už má v této oblasti co možná nejvíce zkušeností. Alternativa, která je obvykle nejlevnější, spočívá v tom, že se na realizaci podílíme vlastní prací a zařízení si vyrobíme částečně svépomocí nebo zcela sami. Na základě této motivace vznikly také první svépomocné skupiny pro stavbu solárních zařízení.
    Od roku 1983 se v Rakousku svépomocná výroba a instalace slunečních kolektorů podstatně rozvinula. Na základě tří generací kolektorů budovaných svépomocí budou v následujícím textu představeny rozdíly ve výkonnosti mezi jednotlivými typy kolektorů. K ilustraci použijeme tři typy kolektorů a absorbérů, které jsou pro svépomocnou výrobu obzvláště vhodné, a s nimiž rakouské montážní skupiny na sklonku dvacátého století získaly rozsáhlé zkušenosti.
    Jsou to kolektory svépomocné výroby s absorbérem pokrytým solárním lakem v typových provedeních K4 a K16 a dále pak selektivní pásové systémy výrobců TeknoTerm, MTI a TINOX.
    V počátcích svépomocné výroby zhotovovaly montážní skupiny od roku 1984 kolektor typu K4. V tomto modelu byla použita měděná trubka o průměru 15mm, jež byla ohnuta do čtyř zákrutů a připájena na měděný plech. Do plechu byly vlisovány drážky, které měly umožnit lepší přenos tepla.

    Obr.18: Výrobní postup pro kolektor K4

    V roce 1991 byl typ K4 přezkoušen na technice v Rapperswilu (ITR).
    Na základě výsledků testu byly provedeny vývojové změny kolektoru, které významně zlepšily jeho technické vlastnosti i systém montáže. Tak byl z typu K4 vyvinut typ K16, jako kolektor snadno sestavitelný s pomůckami pro rychlou montáž. V roce 1993 byl typ K16 přezkoušen v Institutu pro výzkum solární energie v Hannoveru (ISFH).
    Se stoupající poptávkou po zařízeních pro solární přitápění rostla stále více poptávka po selektivních absorbérech. Od roku 1992 začaly svépomocné montážní skupiny zpracovávat vedle modelu K16 také průmyslově vyráběné absorbérové pásy. Po roce 1995 tyto nové systémy už nad svépomocně pájenými měděnými absorbéry převažovaly. Bylo to jednak vzhledem k podstatně lepším vlastnostem kolektoru, jednak i z důvodu mnohonásobně nižšího pracnosti a klesajících pořizovacích cen za pásy absorbéru.

    Obr.19: Přípava a sestavování kolektoru K16

    Tab.5: Materiálové náklady a pracnost pro různé typy svépomocných kolektorů

    Typ kolektoru cena materiálu
    [Kč/m2]    		 Pracnost
    [h/m2]
    K4 2300 3.0
    K16 2600 1,5
    Solaris SB (MTI) 3400 0,5
    AEE KT 2000(TINOX) 3900 0,5

    Zatímco kolektor K4 byl ještě velmi náročný z hlediska množství práce vynaložené na jeho přípravu a montáž, byl čas potřebný ke zhotovení typu K16 ve svépomocné montážní skupině redukován zhruba na polovinu. Pásové systémy umožňují zhotovení jednoho metru čtverečního přibližně za půl až jednu hodinu. Příprava solárního zařízení s plochou kolektoru o velikosti 10 m2 vyžaduje v dobře organizované stavební skupině už jen půldenní práci.
    Pro výběr typu kolektoru, popř. absorbéru byla vždy určující jejich výkonnost a náklady. Pro zařízení pro ohřev pitné vody byl v montážních skupinách do roku 1994 sestavován téměř výhradně měděný kolektor typu K16 pokrytý solárním lakem - z důvodu nejlepšího poměru ceny a výkonu. Chceme-li dosáhnout určitého stupně pokrytí roční spotřeby, je sice při používání měděných absorbérů natřených solárním lakem v porovnání se selektivně povrstvenými pásovými systémy nezbytná poněkud větší plocha kolektoru, cena zařízení je ale i tak podstatně výhodnější. Pro zařízení napojená na vytápění byly už od roku 1992 přednostně doporučovány a používány pásové systémy se selektivní vrstvou.
    Srovnáme-li současnou technickou úroveň kolektoru AEE KT2000 vyráběného svépomocí s konvenčními výrobky trhu, ukazuje se, že kolektor vyráběný svépomocí patří k nejlepším. Například mezi zařízeními přezkušovanými v Rakousku se umístil na druhém místě. Rozhodující veličinou pro hospodárnost solárního zařízení jsou v neposlední řadě i náklady za jednu kWh. Pokud zanedbáme nízké náklady na provoz čerpadel (cca 1 % z hodnoty vytěženého tepla), tak nás poté, co bylo solární zařízení zaplaceno a instalováno, teplo z něj již nic nestojí.
    Cena tepla ze slunce tedy vyplývá z investičních nákladů (kapitálové náklady a úroky), ročního výnosu a doby životnosti. Zde obstál kolektor svépomocné výroby obzvláště dobře.

    Obr.20: Roční výnosy různých typů kolektorů pro ohřev vody a přitápění

    Obr.21: Cena tepla pro různé typy kolektorů na ohřev TUV

    3.4.2 Stanoviště, sklon a orientace kolektoru

    Místem, které se nejčastěji nabízí pro instalaci kolektoru, je plocha střechy. Není-li montáž na střechu možná, lze kolektory upevnit na vhodný podstavec v blízkosti domu, integrovat do svahu nebo postavit na plochou střechu. V každém p řípadě je vhodné dbát, aby potrubí vedoucí do zásobníku a z něj bylo co nejkratší.
    Pro montáž slunečních kolektorů se nejlépe hodí plochy orientované směrem na jih. Odchylka o 45 stupňů na východ nebo západ je však zcela možná, neboť nesnižuje výnos nijak podstatně. Mimo to lze odchylku od ideální orientace na jih a od nejvhodnějšího sklonu střechy do určité míry vyrovnat zvětšením plochy kolektoru. Dále by mělo být zajištěno, aby na kolektory pokud možno v průběhu celého roku nepadal stín nějakého stromu nebo budovy.
    Vedle charakteristik samotného kolektoru je totiž účinnost solárního zařízení v podstatné míře závislá také na tom, v jakém úhlu na kolektor dopadá sluneční záření. Největšího výtěžku dosáhneme tehdy, když světlo dopadá na kolektor stále kolmo - to bychom ale museli kolektorem celý den hýbat (to se nedělá, taková pokusná zařízení se dávno pokazila). Optimální sklon pevného kolektoru je v různých ročních obdobích odlišný, neboť Slunce je v létě výše než v zimě. Je-li plocha kolektoru orientována na jih, lze v letní polovině roku získat největší výnosy při sklonu 20-30 stupňů. V zimních měsících by byl nejvhodnější úhel přibližně 60 stupňů. Pro celoroční využití k ohřevu pitné vody je v našich zeměpisných šířkách u skromně dimenzovaných kolektorů ideální sklon 50 stupňů.
    Tento sklon je výhodný z toho důvodu, že kolektory jsou optimálně nastaveny ke Slunci především v přechodném období. V létě to lze sotva považovat za nevýhodu, neboť většinou bývá k dispozici přebytek slunečního záření a proto může být malé zhoršení stupně účinnosti zanedbáno.

    Obr.22: Solární výnos v závislosti na sklonu střechy a orientace na jih

    Obecně lze říci, že solární zařízení, která by měla dosahovat velmi dobrých celoročních výnosů, by měla mít úhel sklonu mezi 40 a 60 stupni.
    Při umísťování kolektoru na střechu bývá již sklon a směr většinou daný a tak není optimální orientace vždy možná. Odchylky jsou zde spíše pravidlem. V jakém rámci se klidně mohou odchylky od orientace na jih a ideálního sklonu pohybovat, ukazuje obrázek č.23. Je zjevné že např. na zahradě, chceme-li aby půdorys kolektoru byl co nejmenší, můžeme volit sklon i přes šedesát stupňů. Výhodu má v tom, že se na kolektoru nedrží sníh.
    I když nemáme k umístění ideální podmínky, měli bychom upustit od různých "důmyslných" konstrukcí k úpravě sklonu a orientace kolektoru na střeše ve prospěch pěkného vzhledu domu.

    Obr.23: Možné odchylky od orientace na jih a od ideálního sklonu

    Úhrnem lze říci, že odchylky od ideální polohy v rámci hodnot uvedených na obrázku č.23 lze nejlépe vyrovnat pomocí o něco větší plochy kolektoru. Jeden kolektor navíc bývá vždy levnější než nákladné systémy k upevnění kolektorů, které kompenzují sklon střechy, nebo dokonce natáčení kolektorů za sluncem, které je neobyčejně nákladné.

    3.4.3 Pravidla pro dimenzování

    Základem pro dimenzování našich solárních zařízení jsou co nejvyšší solární výnosy, tj. pokrýt potřebu tepla na ohřívání vody solárním zdrojem asi ze 70 % a vyhnout se příliš velkým solárním přebytkům v létě. Tento přístup přináší v měsících mimo topnou sezónu téměř 100 % solárního pokrytí, takže se topení bude v tomto období pro ohřev vody spouštět jen velmi zřídka.

    3.5 Potrubí pro okruh kolektoru

    V solárních zařízeních pro ohřev vody se používají především měděné trubky. Dají se snadno obrábět a osvědčily se v tisících zařízení.
    Potrubí z umělých materiálů všeho druhu nelze doporučit - mimo jiné také z důvodu nedostatečné těsnosti proti difuzi kyslíku a malé teplotní odolnosti. Nevhodné jsou rovněž pozinkované ocelové trubky, u kterých kapalina (směs vody a glykolu) způsobuje problémy s korozí.

    Obr.24: Takovéto dobrodružné konstrukce nejsou vhodným prostředkem k "nápravě" sklonu střechy a orientace střechy

    Tab.6: Dimenzování solárních zařízení pro ohřev vody

    denní spotřeba
    vody
    litrů    		 objem zásobníku
    litrů    		 plocha low-tech
    kolektoru
    m2    		 plocha hi-tech
    kolektoru
    m2    		 plocha
    trubkového
    předavače
    tepla m2    		 expanzní
    nádoba
    litrů
    100-200 300 6-8 5-6 1,8 24
    200-300 500 8-11 6-8 2,5 24-35
    300-500 800 12-15 9-12 3,6 35-50

    Zvolené průřezy potrubí v podstatné míře závisejí na ploše kolektoru, délce potrubí a koncentraci přísady proti zmrznutí kapaliny. Protože účinnost kolektoru značně klesá při průtoku pomalejším než 40 l/h na 1m2 plochy kolektoru, je požadováno průtočné množství od 40 do 60 l/h na 1m2 plochy kolektoru. Hodnoty v tabulce č.4 platí pro měděné trubky.

    Tab.7: Průměry potrubí (dle celkové délky solárního okruhu)

    plocha kolektoru m2 průměr trubky pro okruh do 20 m [mm] průměr trubky pro okruh do 50 m mm
    5-8 18 18
    8-11 18 22
    11-15 22 <22-28/TD>

    3.6 Počítačová simulace solárních zařízení

    Výše uvedená pravidla pro dimenzování je třeba chápat jako orientační hodnoty. Abychom mohli učinit přesnější výpověď, je důležité rozměry stanovit vzhledem ke konkrétnímu zařízení a stanovišti. Toto s pomocí počítačových programů provádějí inženýrské kanceláře, firmy specializující se na solární technologie a AEE (viz adresy v příloze). Tak lze pro plánované zařízení získat přesné informace o jeho účinnosti, o stupni pokrytí potřeb ze solárního zdroje, jakož i o potřebném dohřevu v zimních měsících.


    Obr.25: Počítačové simulace s programem T SOL*