Slnko ako ohrievač

Existuje viacero druhov kolektorov s rôznymi možnosťami uplatnenia. Podľa miestnych podmienok i požadovaného spôsobu využitia teda musíme zvoliť taký druh, ktorý je na náš účel najvhodnejší.

Galéria

Na sezónny ohrev vonkajších bazénov postačí nekrytý plastový absorbér alebo plochý neselektívny kolektor. Ten môžeme využiť aj na letnú prípravu ohriatej pitnej vody (OPV) v našich klimatických podmienkach. Na celoročný ohrev OPV, pre kombinované systémy s ohrevom vonkajších bazénov a na podporu vykurovania však potrebujeme ploché selektívne kolektory. Pre interiérové bazény, na podporu vykurovania v energeticky úsporných domoch a na výrobu technologického tepla sú zasa vhodné vákuové kolektory (ploché, rúrové).

Ako si vybrať
Výrobcovia ponúkajú slnečné kolektory v najrôznejších konštrukčných obmenách, preto ich rozdeľujeme podľa rozličných kritérií. Ak si máme vybrať ten najvhodnejší kolektor, musíme si dôkladne premyslieť, do akého prostredia ho umiestnime. Základnou podmienkou na výber je oblasť použitia a vonkajšia teplota. Uvedieme základné typy bežne používaných kolektorov.

Nekrytý kolektor (najčastejšie plastový absorbér) sa používa na neveľké zvýšenie teploty. Je vhodný najmä na sezónny ohrev vody v exteriérových bazénoch.

Plochý neselektívny kolektor s jednoduchým zasklením je vhodný predovšetkým do krajín s vysokou intenzitou slnečného žiarenia (napr. Grécko, Egypt či Cypus). S klesajúcou vonkajšou teplotou sa jeho účinnosť rýchlo znižuje, preto ho v našich klimatických podmienkach môžeme využiť najmä na sezónny ohrev OPV a vody v bazénoch v letnom období.

Plochý selektívny kolektor s jednoduchým zasklením je hojne rozšírený aj v našich klimatických podmienkach. Môžeme ho použiť nielen v systémoch na prípravu OPV či na ohrev vody v bazénoch, ale aj na podporu vykurovania. Ročný energetický zisk v systémoch na prípravu OPV sa pohybuje zväčša na úrovni 500 kWh/m².

Plochý vákuový kolektor je vhodný na celoročný ohrev vody interiérového bazénu. Jeho charakteristickou črtou je, že v sebe kombinuje prednosti plochých kolektorov a vákua ako tepelnej izolácie. Môžeme ho použiť najmä tam, kde treba dosahovať vysoké pracovné teploty pri nepriaznivých meteorologických podmienkach, no vhodný je aj na podporu vykurovania a technologické účely.

Rúrový vákuový kolektor má absorpčnú plochu v sklenenej trubici izolovanú vákuom, ktoré zabezpečuje ochranu absorbéra pred negatívnymi vplyvmi okolitého prostredia. Zakrivenie trubice síce spôsobuje menšiu optickú účinnosť, ale pri zvyšujúcom sa rozdiele medzi teplotou absorbéra a okolitého vzduchu klesá účinnosť kolektora oproti ostatným typom najpomalšie. Nevýhodou je výrazne vyššia cena za jednotku získaného tepla. Tá sa čiastočne kompenzuje vyššími úžitkovými vlastnosťami a dlhoročnou stabilitou parametrov. V európskych podmienkach tvoria rúrové vákuové kolektory približne 10 % z celkovej inštalovanej plochy. Ich najväčším svetovým výrobcom je Čína, kde tvoria až 80 % všetkých inštalácií.

Zásady správnej inštalácie
Na to, aby investícia do kolektorov splnila naše očakávania, musíme okrem vhodne zvolenej solárnej techniky zohľadniť viacero podmienok ohľadom ich inštalácie a prevádzky. Jednou z nich je aj inštalácia kolektorov na miesta, ktoré nie sú zatienené okolitou zástavbou, vegetáciou alebo prírodnými prekážkami. Najvhodnejšia orientácia solárnych kolektorov je smerom na juh, pričom napríklad odklon 30° na západ alebo východ zníži ročný energetický zisk približne len o 5 %. Sklon kolektorov vzhľadom na horizontálnu rovinu sa volí v rozpätí od 30 do 60°. Pri menšom uhle sa zvyšuje letný výkon, pri väčšom zasa zimný zisk (treba však mať na pamäti, že v zimnom polroku dopadne na kolektory asi len štvrtina celoročného prísunu slnečnej radiácie). V našich klimatických podmienkach sú jednoznačne vhodnejšie systémy s nútenou cirkuláciou teplonosnej kvapaliny nachádzajúcej sa v kolektoroch, lebo ich ročný energetický zisk je oproti gravitačným systémom o 20 až 25 % vyšší. Teplonosná kvapalina musí odolávať teplotám až do –30 °C a nesmie agresívne vplývať na prvky primárneho vykurovacieho okruhu. Z ekonomického hľadiska je výhodnejšie plochu kolektorov mierne poddimenzovať, pretože okrem nich väčšinou používame aj ďalší zdroj energie na dodatočný ohrev vody. Praxou overená fyzická životnosť kolektorov je okolo 25 až 30 rokov, čomu by mala zodpovedať aj životnosť strechy či iného podkladu, na ktorý kolektory upevníme. Inštalácia solárneho systému je najjednoduchšia a najlacnejšia vtedy, keď s ňou rátame už v projekte stavby, prípadne keď počas výstavby urobíme aspoň základnú prípravu na jej dodatočnú realizáciu.

Pravidlá používania kolektorov
Solárne kolektory sa u nás najčastejšie využívajú na prípravu OPV, na ohrev vody v bazénoch a ako doplnkový zdroj na podporu vykurovania. Na prípravu OPV slúžia špeciálne solárne vertikálne bojlery s výrazne väčšou teplovýmennou plochou. V rodinných domoch musíme rátať s plochou 1,2 až 1,5 m² kolektorovej plochy na jedného obyvateľa, pričom na jeden štvorcový meter kolektora pripadá 50 až 60 l objemu bojlera. Ekonomické optimum pri krytí ročných energetických potrieb na OPV je 55 až 60 %. Z hľadiska účinnosti a celkového zisku je vhodné nastaviť požadovanú teplotu OPV na 50 až 55 °C.

Určité normy a pravidlá treba dodržiavať aj pri ohreve vody v bazénoch. Ohrev vonkajších nekrytých bazénov zabezpečíme inštalovaním kolektorov s plochou rovnajúcou sa 40 až 60 % plochy bazénu. V prípade interiérových bazénov bez priameho dopadu slnka sa plocha kolektorov rovná 80 až 100 % plochy hladiny, pretože tieto bazény nemajú priame zisky a všetku energiu im musíme dodať ohrevom. Bazény pod transparentnými krytmi fungujú ako samotné kolektory a v letnom období ich treba, naopak, chladiť. Preto je použitie slnečných kolektorov v tomto prípade problematické. V záujme spoľahlivosti a úspory elektrickej energie by sme mali vybudovať samostatný cirkulačný okruh bazénovej vody cez solárny výmenník so samostatným čerpadlom. V čase, keď sú v činnosti kolektory, pozastavíme prípadný dodatočný ohrev vody z iného zdroja (kotol ústredného kúrenia, elektrická energia). Bazénová voda sa môže priamo prečerpávať iba cez plastové absorbéry, v prípade kovových kolektorov musíme inštalovať vhodný (protiprúdový) výmenník. Potrebnú kolektorovú plochu môžeme znížiť o 20 až 30 % dôsledným používaním prekrytia hladiny bazéna v čase, keď je mimo prevádzky.

Na solárnu podporu vykurovania sú vhodné iba objekty s veľmi dobrými tepelnoizolačnými parametrami a nízkoteplotným vykurovacím systémom (stenové, podlahové, teplovzdušné alebo výrazne predimenzované konvekčné vykurovanie). Najjednoduchším a najlacnejším riešením je predhrievanie spiatočky pred jej vstupom do kotla alebo rozdeľovača. Aby bol prínos kolektorov pre ústredné kúrenie dostatočný, nestačia tri či štyri kolektory. Potrebujeme ich výrazne viac, čo so sebou prináša problém racio­nálneho využitia letných tepelných ziskov. Zmysluplným riešením je napríklad kombinácia s letným ohrevom vody vo vonkajšom bazéne. Pre tieto systémy je vhodný väčší uhol sklonu kolektorov, napríklad 60°. V rekreačných objektoch so sporadickým využívaním môžeme napojiť vykurovací systém priamo na kolektory bez výmenníka. V posledných rokoch sa presadzujú schémy zapojenia s centrálnym zásobníkom tepla dostatočného objemu, do ktorého vstupujú okrem kolektorov aj ďalšie zdroje tepla a napájajú sa z neho všetky spotrebiče.

Miesto inštalácie
V závislosti od účelu využitia a s ním súvisiaceho typu a počtu slnečných kolektorov musíme riešiť i otázku ich vhodného umiestnenia. Tu treba zohľadniť dva aspekty – technologický a architektonický. Vo všeobecnosti sa dá povedať, že z technického hľadiska môžeme kolektory upevniť takmer na všetky druhy sedlových, pultových, valbových či plochých striech s rozličnými krytinami. Okrem strechy, ktorá je zvyčajne najvhodnejším miestom na umiestnenie kolektorov, ich môžeme upevniť na fasádu, balkón, ploty, vhodne orientované svahy či rovný terén, dokonca nimi môžeme prekryť parkovisko pre automobily. V prípade viacposchodových panelových domov sa okrem umiestnenia na rovnú strechu ponúka tiež možnosť zvislého upevnenia na južnú fasádu. Pri takomto riešení sa síce získa menej tepla v lete, ale o to lepšie sú podmienky v zimnom polroku. Upevnenie kolektorov na fasádu je vhodné aj pri nedostatočnej ploche strechy na umiestnenie potrebného počtu kolektorov pri viac ako štvorpodlažných obytných budovách.

V porovnaní s pálenou a betónovou strešnou krytinou je hmotnosť kolektorov pripadajúca na jeden štvorcový meter menšia. Ani v prípade ľahkých strešných krytín nie je hmotnosť kolektorov zásadnou komplikáciou, pretože je stále výrazne nižšia ako výpočtová záťaž snehom. Dôležitejšia je otázka fixovania kolektorov proti účinkom vetra, najmä pri inštalácii na rovných strechách a na rovnom teréne. V závislosti od výšky kolektorov nad terénom môže ísť o stovky kilogramov záťaže.

Financie – investície – náklady
Cena samotných kolektorov nie je zvyčajne tou najväčšou položkou. Najmä v prípade menších solárnych zariadení na prípravu OPV tvorí cena kolektorov 30 až 40 % z celkovej ceny zariadenia na kľúč. Majiteľ rodinného domu, v ktorom býva štvor- až päťčlenná rodina, by si mal na tento účel vyčleniť sumu o niečo vyššiu ako 100-tisíc korún. Čím je systém väčší, tým sú nižšie merné investičné náklady na jednotku získaného tepla. Ročné prevádzkové náklady tvoria menej ako 0,5 % investičných nákladov a zahŕňajú náklady na elektrickú energiu poháňajúcu čerpadlá, revízie, výmenu teplonosnej kvapaliny a bežnú údržbu. Priaznivé ekonomické ukazovatele dosahujú najmä solárne systémy na ohrev vody v bazénoch. Ekonomické hodnotenie vždy závisí od druhu energie, ktorú kolektormi nahradíme, od účelu použitia a od požadovaných parametrov. Vo všeobecnosti sa dá očakávať návratnosť vložených prostriedkov v prípade malých solárnych zariadení na prípravu OPV v rodinných domoch v priebehu ôsmich až desiatich rokov. Pri ohreve vody v bazénoch je tento čas výrazne kratší. Návratnosť (a tým aj ekonomickú zaujímavosť) solárnych systémov môže ovplyvňovať štát svojou dotačnou a daňovou politikou. V tomto ohľade Slovensko zatiaľ značne zaostáva za väčšinou krajín Európskej únie.

Ekologické aspekty využitia slnečných kolektorov
Náhradou fosílnych palív a aktívnym využitím slnečnej energie sa redukujú najmä emisie CO2, ktoré sa podstatnou mierou podieľajú na globálnom otepľovaní Zeme. V súčasnosti sú jeho emisie viac ako 30 mld. ton za rok (z toho 75 % vzniká v dôsledku spaľovania uhlia, ropy a zemného plynu a 20 % z lesných požiarov). Ešte v roku 1900 sa z energetickej činnosti ľudstva dostávalo do ovzdušia iba 2 mld. ton CO2 za rok. Od roku 1990 sa zvýšila priemerná globálna teplota o 0,7 °C, následkom čoho stúpli hladiny morí o 10 až 25 cm. Na odvrátenie tohto nepriaznivého vývoja treba zabezpečiť zníženie emisií CO2 tak, aby nárast teploty pri maximálnej rýchlosti 0,2 °C za desať rokov neprevýšil 2 °C. V súčasnosti môžeme na dosiahnutie tohto cieľa využiť nahradenie fosílnych palív obnoviteľnými zdrojmi energie, zvyšovanie energetickej účinnosti a dlhodobé uskladnenie CO2 do vhodných geologických formácií. Práve pri realizácii prvej možnosti zohrajú významnú úlohu slnečné kolektory. Kolektor s plochou okolo 2 m² vyrobí v našich podmienkach približne 1 000 kWh tepelnej energie. V porovnaní so spaľovaním hnedého uhlia sa znížia emisie škodlivín do ovzdušia o tieto orientačné hodnoty: CO2 – 400 kg, SO2 – 10 kg, NOx – 0,07 kg, CxHx – 1,2 kg, prach – 1,2 kg.

Energetika a kolektory
Podľa kvalifikovaných odhadov je v súčasnosti na Slovensku v prevádzke približne 60-tisíc štvorcových metrov slnečných termických kolektorov. V prepočte na tisíc obyvateľov výrazne zaostávame za európskymi lídrami, ako sú napríklad Rakúsko alebo Grécko, s viac ako 300 m2 na tisíc obyvateľov. Potenciál slnečnej energetiky je však obrovský a na jej aktívne využívanie kladú veľký dôraz najmä orgány Európskej únie. Podľa oficiálnych dokumentov sa do roku 2015 očakáva rast v Európe zo súčasných približne 15 mil. štvorcových metrov kolektorovej plochy na 100 mil. m². Doteraz bola slnečná energetika v porovnaní s fosílnymi palivami znevýhodňovaná vyššími investičnými nákladmi na jednotku inštalovaného výkonu. Situácia sa však postupne mení, cena fosílnych palív stále stúpa a pomaly prichádza čas, kedy sa energia získaná z obnoviteľného zdroja energie stane výhodnejšou.

Text: Ing. Ján Tomčiak
Foto: Thermo|solar, Viessmann
Zdroj: časopis Urob si sám