Konstrukční principy slunečních kolektorů

K výrobě teplé vody můžeme v létě místo kotle použít sluneční kolektory. Princip je jednoduchý. Absorbér kolektoru zachytává sluneční paprsky a mění je v teplo. Teplonosná látka (směs demineralizované vody a nemrznoucího přípravku) se ohřeje v absorbéru a získané teplo dopraví potrubím do tepelného výměníku (kterým může být akumulační zásobník nebo zásobníkový ohřívač vody). Odtud se teplo rozvádí a využívá se k vytápění budovy, k přípravě teplé vody nebo k ohřevu bazénů (u kombinovaného systému se v letních měsících může topný kotel vypnout). Komplexní solární systém obsahuje více komponentů. Na dodávku slunečních kolektorů je možné získat státní dotaci.

Základní typy kolektorů

Nekrytý (nejčastěji plastový) absorbér – používá se k nepříliš výraznému zvýšení teploty, především k sezonnímu ohřevu vody v exteriérových bazénech.

Plochý neselektivní kolektor s jednoduchým zasklením – používá se zejména v zemích s vysokou intenzitou slunečního záření. S klesající intenzitou slunečního záření a snižující se venkovní teplotou jeho účinnost rychle klesá, proto je v našich podmínkách použitelný především k sezonnímu ohřevu pitné vody a bazénů v letním období.

Plochý selektivní kolektor s jednoduchým zasklením – v našich klimatických podmínkách je nejčastěji používaným typem. Aplikuje se v systémech na ohřívání pitné vody a vody v bazénech i na podporu vytápění. Roční energetický zisk v systémech na přípravu ohřáté pitné vody se pohybuje obvykle na úrovni 500 kWh/m².

Plochý vakuový kolektor – jeho velkou předností je, že v sobě kombinuje vlastnosti plochých kolektorů a vakua jako tepelné izolace. Je vhodný zejména tam, kde je potřeba dosahovat vysoké pracovní teploty při nepříznivých meteorologických podmínkách, například k celoročnímu ohřevu interiérových bazénů, k podpoře vytápění a k technologickým účelům. Vyrábí se na Slovensku.

Trubicový vakuový kolektor – díky hlubokému vakuu (řádově 10–2 Pa), které tvoří tepelnou izolaci absorbční plochy ve skleněné trubici, klesá jeho účinnost při zvyšujícím se rozdílu mezi teplotou absorbéru a okolního vzduchu nejpomaleji. Nevýhodou je výrazně vyšší cena za jednotku získaného tepla. Ta se částečně kompenzuje vyššími užitkovými vlastnostmi a dlouhodobou stabilitou parametrů, protože právě vakuum zabezpečuje ochranu absorbéru před negativními vlivy okolního prostředí.

Umístění

• Kolektory je třeba instalovat na místo, které není zastíněno okolní zástavbou nebo přírodními překážkami.
• Nejvhodnější je orientace na jih, případně s odklonem ±45° (45°odklon od jihu na západ způsobí asi 5procentní ztrátu na celoročním zisku).
• Vhodný sklon kolektorů je v rozpětí 30 až 60°, při menším úhlu se zvyšuje letní výkon, při větším zase zimní zisk (v zimním období však dopadne na kolektor méně než 1/3 celoročního přísunu sluneční radiace!).

Komponenty solárních systémů

Kromě kolektorů jsou pro správnou funkci solárního systému zapotřebí další komponenty. Pojem příslušenství kolektoru zahrnuje ty části primárního okruhu, které slouží k propojování kolektorů navzájem a k připojování kolektorů k ostatním částem solárního systému. Dále jsou to odvzdušňovací prvky montované přímo na kolektor a pouzdro senzoru na snímání teploty kolektoru.

Nosná konstrukce
Spolu s kolektory je ve většině případů na relativně nepřístupném místě a je pod stálým vlivem vnějšího prostředí. Celohliníkové nosné konstrukce nevyžadují žádnou údržbu a jejich životnost je shodná se životností kolektorů. Konstrukci na kolektory je možné namontovat na plochou i šikmou střechu, ale lze ji zabudovat i přímo do střešní konstrukce – v takovém případě kolektory nahrazují střešní krytinu.

Zásobníkové ohřívače vody
Používají se u menších solárních systémů. Je pro ně vžitý název solární bojler. Bojler je vybaven výměníkem s výrazně větší teplovýměnnou plochou než ty, které se připojují na kotel ústředního vytápění. Objem bojleru určujeme podle předpokládané spotřeby teplé vody. Další důležitou vlastností solárního bojleru z hlediska jeho životnosti je jeho vnitřní povrchová úprava. Mezi korozně nejodolnější vrstvy patří vrstvy na bázi teflonu, keramických povlaků a nerezavějící oceli.

U větších solárních systémů nebo všude tam, kde je zapotřebí oddělit jednotlivé okruhy, se používá samostatný deskový protiproudý výměník. Jeho výhodou je zejména vysoká účinnost a malé rozměry.

Pokud se solární systém montuje do objektu, kde je už instalovaný bojler na přípravu teplé vody, je možné před stávající bojler zařadit solární bojler s výměníkem vhodné velikosti. Sériové zapojení dvou bojlerů (zásobníků) je výhodnější, protože nedostatečné rozvrstvení teplé a studené vody v jednom bojleru (zásobníku) může při paralelním zapojení negativně ovlivnit energetickou účinnost slunečních kolektorů. Studená voda se může v předřazeném solárním bojleru předehřát ze vstupní teploty 10 až 15 °C na 25 až 50 °C i v obdobích nižší intenzity slunečního záření (v zimě). V dohřívacím bojleru poté stačí zvýšit teplotu vody už s podstatně nižší spotřebou energie z jiných než solárních zdrojů, a to na požadovaných 55 °C.

U větších solárních bojlerů a zásobníků tepla je třeba brát v úvahu i nebezpečí rozmnožení bakterie legionella. Je to tyčinková bakterie, která je přirozenou součástí každé sladké vody; existuje více než 30 druhů. Pro zdraví člověka jsou však nebezpečné pouze některé. K rozmnožování této bakterie dochází nejrychleji při teplotě 30 až 45 °C. K infekci může dojít například inhalací kontaminovaného aerosolu během sprchování.

Oběhové teplovodní čerpadlo
Zajišťuje transport teplonosné kapaliny mezi kolektorem a výměníkem tepla. Je možné využít téměř každé teplovodní oběhové čerpadlo, je-li navrženo pro obvody plněné roztokem propylenglykolu (výjimečně se může stát, že těsnění v čerpadle působením propylenglykolu ztratí těsnicí schopnost).

Vzhledem k tomu, že výkon většiny čerpadel převyšuje požadovanou hodnotu, je vhodné využívat vícestupňovou regulaci otáček čerpadla nebo použít regulátor s elektronickou regulací. Kvůli zamezení cirkulace kapaliny v protisměru se do obvodu čerpadla musí namontovat zpětná klapka. Může být vodorovná nebo svislá, na funkci to nemá vliv.

Spojovací potrubí
V primárním okruhu je potrubí třeba dimenzovat na teplotu na 180 °C a tlak podle použitého pojistného ventilu. Světlost potrubí se určuje podle jeho délky a počtu kolektorů.

Pro izolaci platí tytéž požadavky jako pro izolaci jakéhokoliv teplovodního potrubí kromě toho, že izolační materiál ve vnějších prostorech musí být odolný proti vlhkosti a působení UV záření. Zároveň je třeba zohlednit, že při výpadku oběhového čerpadla může teplota na přípojných místech sběrných trubek kolektoru dosáhnout 160 až 180 °C. Proto na tyto části primárního okruhu, včetně částí potrubí mezi kolektorovým polem a výměníkem tepla, je nepřípustné (!) používat izolace na bázi plastů; je třeba použít izolace na bázi minerálních látek, které mají požadované vlastnosti.

Odvzdušňovač, odplyňovač
Základním předpokladem dobré cirkulace teplonosné kapaliny je dokonalé odstranění zbytků vzduchu z hydraulického systému. Odvzdušňovač se využívá k odvzdušnění systému při plnění a k odvedení vzduchu, který se z teplonosné kapaliny postupně uvolňuje při zahřívání. V zásadě lze využít ruční odvzdušňovací ventil nebo odvzdušňovací nádobu s ručním výpustným ventilem. V nejvyšším bodě systému je ruční odvzdušňovací ventil, který se využije při prvním plnění. Ve snadno přístupné části se za oběhové čerpadlo zařadí automatický absorpční odplyňovač.

Expanzní nádoba, pojistný ventil
Při použití běžných uzavíracích a regulačních armatur (kohoutů, ventilů), závitových spojů a expanzních nádob s gumovou membránou není možné zabránit velmi pomalému, avšak trvalému vnikání vzduchu (difuzi) do uzavřeného primárního okruhu. Solární systém se montuje zásadně jako uzavřený s uzavřenou expanzní nádobou. Dimenzování expanzní nádoby závisí na celkovém objemu kapaliny v systému a na výkonu zdroje tepla. Pro solární systémy jsou výhodnější nádoby s vyšším pracovním přetlakem – systém je méně náchylný k zavzdušnění. Jmenovitý objem expanzní nádoby je přibližně 6 litrů na kolektor. Maximální pracovní přetlak je 600 kPa. Pojistný ventil se dimenzuje podle maximálního pracovního přetlaku, který je daný nejčastěji maximálním přetlakem kolektoru nebo maximálním přetlakem expanzní nádoby, pokud ten je nižší.

Přídavná zařízení
Solární systém může pracovat i bez přídavných zařízení, ale tato zařízení funkci solárního systému zlepšují. Jsou to:
Filtr mechanických nečistot – zachytává piliny a jiné mechanické nečistoty, které se v systému mohou objevit hlavně během montáže.
Tlakoměr – je důležitý při spouštění systému a pro jeho kontrolu během provozu. Postačující je tlakoměr o průměru 63 mm, rozsah volíme podle maximálního přetlaku v systému.
Teploměr– nejvhodnější je bimetalový se stopkou s rozsahem do 150 °C. Montuje se do potrubí přívodní větve kolektoru pomocí k tomu určeného pouzdra. Jestliže regulátor zobrazuje teploty na displeji, bimetalové teploměry nejsou nutné.
Průtokoměr – využívá se k pohodlnému a rychlému nastavení optimálních provozních parametrů solárního systému.
Čerpadlo, teploměry, manometr, pojistný ventil, zpětná klapka, napouštěcí a vypouštěcí ventil a uzavírací armatury jsou obvykle smontované do kompaktního celku, který výrazně zjednodušuje a zlevňuje montáž.

Elektronický regulátor, snímače teploty
Systémy s nucenou cirkulací jsou vybaveny elektronickým regulátorem. Regulátor jednookruhového systému spustí oběhové čerpadlo vždy, když je na kolektoru vyšší teplota než ve spotřebiči tepla (ve většině případů v zásobníku teplé vody). Regulátory víceokruhových systémů kromě toho přepínají okruhy jednotlivých spotřebičů mezi sebou. Na trhu je více druhů regulátorů zahraniční i domácí výroby. Jejich cena se liší zejména proto, že ty dražší čerpadlo nejen zapínají a vypínají, ale i regulují jeho otáčky tak, aby se dosáhl optimální průtok. Regulátory víceokruhových systémů mají různé doplňkové funkce.

Při přepínání okruhů víceokruhového systému se přednostně nabíjí teplem okruh, který pracuje při nejvyšší teplotě. Pokud teplota tohoto okruhu dosáhne maximální hodnoty nebo intenzita slunečního záření klesne natolik, že do tohoto okruhu se už energie nemůže účinně odevzdávat, přepne se samočinně na druhý, případně tím samým způsobem na třetí okruh. Prvním okruhem je ve většině případů zásobník teplé vody, druhým může být přitápění vnitřních prostorů, třetím okruhem vyhřívání vody v bazénu.

Každý regulátor se dodává se snímači teploty a může se používat jen s nimi nebo se snímači shodných parametrů.

K romě těchto prvků se mohou ve zvláštních případech vyskytovat i další doplňkové prvky.

Text: Ing. Ján Tomčiak
Foto: Viessmann, THERMO|SOLAR, Vaillant, Dano Veselský