V súčasnej dobe, keď sa kladie dôraz na energetickú efektívnosť a udržateľnosť, sa solárne termické kolektory stávajú čoraz bežnejším riešením pre rôzne typy budov, od rodinných domov až po administratívne komplexy. Solárne termické kolektory predstavujú moderné, ekologické a ekonomicky výhodné riešenie pre ohrev vody a podporu vykurovania. Zatiaľ čo tepelné čerpadlá využívajú na vykurovanie energiu prostredia s elektrickou energiou, solárne termické systémy fungujú takmer úplne bez nákladov na spotrebu. Umožňuje to bezplatné sálavé teplo zo slnka.
Solárne termické kolektory: Základný princíp
Solárne termické kolektory sú zariadenia, ktoré zachytávajú energiu slnečného žiarenia a premieňajú ju na teplo. Každý solárny termický kolektor funguje na jednoduchom fyzikálnom princípe - pohlcovanie slnečného žiarenia a jeho premena na teplo. Zohriata kvapalina následne prúdi do zásobníka teplej vody, kde odovzdá teplo cez výmenník.
Typy solárnych kolektorov
- Plochý solárny kolektor: Je najbežnejší typ používaný v domácnostiach aj menších komerčných budovách. Pri plochých slnečných kolektoroch sa slnečné žiarenie zachytáva v absorpčnej vrstve kolektora, ktorá je povrchovo upravená tak, aby pohltila čo najviac lúčov a len minimum sa odrazilo späť do okolia. K absorpčnej vrstve je prichytené pomocou tepelne vodivého spoja potrubie, cez ktoré prúdi teplonosná kvapalina. Aby boli tepelné straty čo najnižšie, sú kolektory uložené v tepelne izolovanom ráme a zvrchu prekryté špeciálnym sklom. To umožňuje takmer bezstratový prechod slnečného žiarenia k absorbéru a zároveň vytvára vzduchovú izolačnú vrstvu, ktorá bráni únikom tepla do okolia.
- Vákuové kolektory: Používajú sklenené trubice s vákuom medzi vnútornou a vonkajšou stenou, čím minimalizujú tepelné straty. Trubicové slnečné kolektory navyše využívajú vákuum.
Solárna čerpadlová stanica: Srdce solárneho systému
Solárna čerpadlová stanica je srdcom a mozgom solárneho termického zariadenia. Spája najdôležitejšie komponenty na regulovanie a transport solárneho tepla zo strechy v kompaktnej jednotke. Vysvetlíme vám, ako je takáto skupina komponentov skonštruovaná a akú úlohu má pri solárnom termickom zariadení.
Solárna stanica je kompaktná a prefabrikovaná konštrukčná skupina, ktorá obsahuje najdôležitejšie komponenty na prevádzku termického solárneho zariadenia. Okrem toho solárna stanica môže obsahovať aj rôzne snímače teploty, odlučovač vzduchu a solárny regulátor. Všetky komponenty sú spravidla prefabrikované, takže stanica sa dá na mieste použitia inštalovať rýchlo a jednoducho. Solárna stanica sa spravidla montuje v blízkosti vykurovacieho zdroja alebo priamo pri zásobníku tepla.
Solárny regulačný systém registruje, či kolektory dodávajú termickú energiu. Ak áno, regulátor spustí obehové čerpadlo, ktoré poháňa ohriatu solárnu kvapalinu zo strechy do zásobníka. V ňom odovzdá médium teplo vykurovacej alebo úžitkovej vode a potom ochladené prúdi späť ku kolektorom na streche. Solárna stanica spája najdôležitejšie komponenty na regulovanie a na distribúciu tepla v kompaktnej jednotke. Je vyhotovená tak, aby sa dala na mieste využitia jednoducho inštalovať. Urýchľuje to čas potrebný na montáž a na minimalizuje riziko chýb pri inštalácii. V priestoroch, kde sa nachádza vykurovacie zariadenie, zaberajú tieto stanice málo miesta.
Prečítajte si tiež: BMW E36 316i: Výmena vodného čerpadla
Čo sa týka konštrukcie, pri konvenčných konštrukčných solárnych skupinách, rozlišujú odborníci najmä jednookruhové a dvojokruhové solárne stanice. Jednookruhové stanice majú iba prívod od kolektora k zásobníku. Obsahujú uzatváracie guľové kohúty, čerpadlá, plniace armatúry a sú kompaktné. Dvojokruhové stanice majú okrem prívodu integrovanú aj spiatočku. Ak solárna stanica obsahuje aj výmenník tepla, odborníci hovoria o delenom solárnom systéme. Používa sa predovšetkým pri väčších solárnych zariadeniach. Výmenník prenáša teplo solárnej kvapaliny na vykurovaciu vodu a je vybavený čerpadlami a armatúrami pre oba okruhy.
Ceny kompaktných konštrukčných skupín závisia od konštrukčnej veľkosti a vybavenia. Existujú jednookruhové stanice pre domy pre jednu a viac rodín už za 200 až 500 eur. Viacokruhové stanice stoja od 300 do 700 eur. Pokiaľ by mali systémy disponovať integrovaným solárnym regulátorom, tak bežné ceny sú od 500 do 1 000 eur. Cenovo nákladnejšie sú kompletné delené solárne stanice ktoré stoja od 1 000 do 1 500 eur. Treba ešte počítať s nákladmi na montážne práce.
Komponenty solárnej čerpadlovej skupiny
Solárna čerpadlová skupina je neoddeliteľnou súčasťou solárnych systémov. Jej hlavnou úlohou je cirkulácia pracovného média medzi kolektorom a zásobníkom tepla. Skladá sa z niekoľkých kľúčových prvkov, ako sú:
- Obehové čerpadlo: Zaisťuje nepretržitú cirkuláciu média a vďaka tepelnému izolovaniu sa minimalizujú tepelné straty.
- Guľový uzatvárací ventil: Umožňuje rýchle prerušenie prietoku média v prípade potreby servisného zásahu alebo poruchy.
- Bezpečnostný ventil: Chráni systém pred nadmerným nárastom tlaku, čo by mohlo viesť k jeho poškodeniu.
- Manometer: Umožňuje kontrolu tlaku v systéme.
- Rotameter: Ukazuje aktuálny prietok kvapaliny v okruhu.
- Odvzdušňovač a odlučovač vzduchu: Slúži na odstránenie vzduchu zo systému, čo je kľúčové pre jeho správne fungovanie.
- Solárny prietokomer:
- Ventily:
Fungovanie čerpadlovej skupiny spočíva v presúvaní glykolu, ktorý absorbuje teplo v solárnych kolektoroch a následne ho transportuje do zásobníka tepla. Toto je možné vďaka práci obehového čerpadla, ktoré je riadené špeciálnym regulačným systémom. Ten je zodpovedný za udržiavanie optimálnej teploty a tlaku v systéme, čo je kľúčové pre efektívnosť a bezpečnosť celého solárneho systému. Regulácia práce solárnej čerpadlovej skupiny je zvyčajne automatická a prispôsobuje sa aktuálnym podmienkam, ako je vonkajšia teplota, slnečné žiarenie a potreba tepla v budove.
Výber solárnej čerpadlovej skupiny
Správne zvolená solárna čerpadlová skupina garantuje bezproblémové fungovanie celého solárneho systému po dlhý čas. Zabezpečuje efektívny prenos tepla zo solárnych kolektorov do zásobníka, čo je kľúčové pre zabezpečenie neustáleho prístupu používateľov k teplej úžitkovej vode a správne fungovanie celého vykurovacieho systému.
Prečítajte si tiež: Bezpečnosť a obehové čerpadlá
Výber vhodnej solárnej čerpadlovej skupiny je kľúčový pre efektívne fungovanie solárnych systémov. Predovšetkým je potrebné venovať pozornosť prietoku, ktorý systém vyžaduje. Tento parameter udáva, aká veľká by mala byť cirkulačná schopnosť čerpadiel v skupine, aby zabezpečili optimálny prietok pracovného média. Príliš nízky prietok môže viesť k nedostatočnému odberu tepla z kolektorov, zatiaľ čo príliš vysoký môže spôsobiť zbytočné zvýšenie spotreby energie čerpadlom. Ďalším dôležitým aspektom, na ktorý treba pri výbere čerpadlovej skupiny dbať, je plocha solárnych kolektorov. Čím väčšia plocha, tým vyšší by mal byť výkon čerpadla, aby efektívne rozvádzalo teplo v celom systéme. Výber čerpadlovej skupiny musí zohľadňovať veľkosť inštalácie aj špecifické prevádzkové podmienky danej lokality.
Typy čerpadlových skupín
V oblasti solárnych systémov rozlišujeme rôzne typy čerpadlových skupín, ktoré zohrávajú kľúčovú úlohu v efektívnom fungovaní inštalácie:
- Jednocestné a dvojcestné: Prvé z nich sa vyznačujú jednoduchšou konštrukciou a sú často používané v menších solárnych systémoch.
- So a bez regulátora: Modely so regulátorom ponúkajú pokročilú reguláciu práce čerpadiel a možnosť optimalizácie energetickej účinnosti celého systému, reagujúc na meniace sa podmienky prostredia a potrebu tepla.
Solárne kolektory vs. fotovoltické panely
Na úvod stojí za to zdôrazniť, že mnohí laici si mýlia solárne kolektory s fotovoltickými panelmi (PV). Obe zariadenia využívajú slnečnú energiu, ale ich konštrukcia, princíp fungovania a účel inštalácie sú úplne odlišné.
Solárny kolektor je inštalovaný preto, aby zachytával slnečnú energiu a prenášal ju do vody, čím ju ohrieva. Vďaka tomu sa solárne kolektory, alebo solárne panely, používajú na ohrev TÚV, teda teplej úžitkovej vody. Zriedkavo sa používajú aj na ohrev vody v systéme ústredného kúrenia (UK), ale skôr ako podpora.
Naopak, fotovoltické panely sú elektrické zariadenia. Ide o panely obsahujúce fotovoltické články, ktoré pod vplyvom slnečných lúčov produkujú elektrinu. Elektrická energia je potom pomocou zariadení, ktoré sa nazývajú meniče, prispôsobená napätiu v dome, teda 220-240V.
Prečítajte si tiež: Efektívne vykurovanie a ohrev vody
Istý čas väčšina ľudí uprednostňovala inštaláciu fotovoltických panelov. Fotovoltické články vyrábajú elektrinu, teda energiu, ktorú možno využiť na čokoľvek - pre tepelné čerpadlo, sporák, kanvicu, práčku alebo klimatizáciu. V konečnom dôsledku aj na ohrev vody, napríklad pomocou ohrievača.
Bohužiaľ, po zmene systému zúčtovania sa však návratnosť fotovoltických systémov výrazne znížila, pokiaľ nehovoríme o tých, ktorí inštalovali panely pred zmenou systému a stále sa zúčtovávajú podľa starých pravidiel.
Ďalším problémom, o ktorom sa ešte stále málo hovorí, ale ktorý je potvrdený odborníkmi z energetického sektora, je riziko potenciálneho preťaženia siete v krajine. Toto už nastáva. Náš zastaraný energetický systém nebol pripravený na rýchly rozvoj fotovoltiky (v európskych podmienkach pomerne rýchly) v posledných rokoch. Výkon malých elektrární na strechách súkromných domov dosiahol v prekvapivo krátkom čase impozantné rozmery. Čelíme teda rovnakému problému na národnej úrovni, aký už majú napríklad Nemci, keďže obrovské množstvo malých inštalácií v rôznych lokalitách si vyžaduje modernizáciu a neustálu expanziu energetického systému, ktorý bol v celej EÚ dlhodobo zanedbávaný.
V tejto situácii sa javí ako rozumné riešenie dodatočné zabezpečenie v podobe tradičného solárneho kolektora na ohrev teplej vody.
Princíp fungovania solárneho kolektora
Keď už poznáme konštrukciu, v podstate rozumieme princípu fungovania solárneho kolektora a môžeme si predstaviť, ako funguje. Princíp fungovania solárnych panelov je veľmi jednoduchý. Kvapalina nachádzajúca sa v rúrach, ktorá sa vplyvom slnečného žiarenia zohrieva, dosahuje veľmi vysoké teploty. Zohriata kvapalina prechádza do zásobníka teplej úžitkovej vody (TÚV), kde odovzdáva teplo vode, ktorú využívajú obyvatelia domácnosti.
Keďže sa však v rúrach nachádza zmes vody a nemrznúcej kvapaliny, táto zmes nemôže priamo vstúpiť do zásobníka. Prechádza cez výmenník tepla v zásobníku, ktorý zohrieva vodu bez toho, aby sa s ňou zmiešala.
Čo robiť, ak nemáme výmenník tepla v zásobníku?
Občas sa stane, že zásobník nemá voľný výmenník tepla, ku ktorému by sme mohli pripojiť solárny obeh. Staršie zásobníky majú často len jeden výmenník tepla, ktorý je zvyčajne už využitý pre hlavný zdroj tepla (napr. kotol ÚK). Čo v takom prípade? Treba vymeniť zásobník?
Riešením je výmena zásobníka za nový s dvoma výmenníkmi tepla. To sa však oplatí iba vtedy, ak by náš zásobník aj tak čoskoro doslúžil a plánovali sme ho vymeniť. Ak však máme dobrý a "zdravý" zásobník teplej vody, nevyplatí sa ho odstraňovať. Namiesto toho, aby sme investovali veľkú sumu do výmeny zásobníka, je lepšie jednoducho zakúpiť doskový výmenník pre solárne panely, ktorý stojí približne 100-130 €, v závislosti od veľkosti našej solárnej inštalácie.
Umiestnenie a sklon solárnych kolektorov
Podobne ako pri fotovoltických paneloch zohráva dôležitú úlohu správne umiestnenie a sklon solárnych kolektorov. Ide hlavne o ich umiestnenie na mieste s dostatočným slnečným žiarením, preto sa odporúča montáž na južnej strane strechy. Rovnako ako pri PV paneloch, aj sklon solárnych kolektorov je dôležitý pre efektívne zachytávanie tepla. V prípade solárnych panelov sa však môže vyskytnúť komplikácia, pretože odborníci odporúčajú rôzne sklony pre letné a zimné mesiace. Ako zaujímavosť môžeme uviesť, že vo svete existujú aj systémy, ktoré automaticky a bez zásahu menia uhol sklonu v závislosti od ročného obdobia. Pre rodinný dom by však takýto systém nebol ekonomicky výhodný.
- V lete je optimálny uhol sklonu kolektora na streche približne 30°.
- V zime je optimálny uhol sklonu solárnych panelov okolo 60°. To tiež zabezpečí, že kolektory sa budú v zime lepšie čistiť od snehu, ak napadne.
- Zdá sa, že optimálnym riešením je nastavenie kolektorov na približne 40°. Vo väčšine prípadov by sa kolektory nemali orientovať výlučne na zimné podmienky, pretože v zime bude naša teplá úžitková voda (TÚV) aj tak ohrievaná hlavným zdrojom tepla (kotol, tepelné čerpadlo atď.).
Na dosiahnutie čo najvyššej účinnosti by mali byť otočené na juh, s odchýlkou do 30° - pri jej dodržaní klesá účinnosť iba minimálne. Pri predimenzovaní kolektorov (ak použijete väčšiu plochu) ich môžete orientovať aj na východ alebo západ. Sklon kolektorov by mal byť v rozsahu 25 - 60°, max. 25 - 70°.
Kombinácia tepelného čerpadla a solárneho systému
Zvýšte účinnosť a znížte náklady na vykurovanie kombináciou tepelného čerpadla a solárneho zariadenia od spoločnosti Viessmann, čím dosiahnete oboje. Potom budete môcť využívať bezplatné solárne teplo na vykurovanie a prípravu teplej vody vždy, keď bude svietiť slnko. Ak energeticky bohaté sálavé teplo nestačí, nastúpi systém environmentálneho vykurovania a sprístupní bezplatnú energiu zo zeme, vzduchu alebo podzemnej vody na vykurovanie.
Pri vhodnej konštrukcii môže byť tepelné čerpadlo Viessmann so solárnou termikou v lete takmer úplne odbremenené. Po zvyšok roka medzitým solárne teplo zabezpečuje vyššiu účinnosť. Tepelné čerpadlo odoberá teplo z prostredia a využíva ho na vykurovanie a ohrev teplej vody, či už ide o vzduch, zem alebo vodu. Pre efektívnu prevádzku je obzvlášť dôležitá komunikácia medzi tepelným čerpadlom a solárnou energiou prostredníctvom spoločného riadiaceho systému.
Ak tepelné čerpadlo skombinujete s fotovoltikou, zvýšite podiel obnoviteľnej energie. Určite, kombinácia tepelného čerpadla a fotovoltaických panelov predstavuje ideálne riešenie pre energeticky nezávislý dom.
Náklady a úspory
Počiatočná investícia pre bežný rodinný dom sa pohybuje okolo 150.000 Kč, pričom na fototermické systémy možno čerpať štátne dotácie, a pokryť tak nemalú časť vstupných nákladov (približne okolo 50.000 Kč). Ročné úspory na vykurovaní a ohreve TÚV pritom s týmto systémom dosahujú 50 % (priemer za celý rok). Návratnosť investície je tak 3-5 rokov.
Aj keď je počiatočná investícia do tepelného čerpadla vyššia ako pri tradičných vykurovacích systémoch, dlhodobé úspory na prevádzke ju rýchlo amortizujú. Návratnosť investície závisí od niekoľkých faktorov, ako je cena energie, veľkosť objektu a typ tepelného čerpadla.