Slnečné termické kolektory

Slnko nám dodáva svoju energiu odnepamäti a ďalšie miliardy rokov ešte bude. Priame alebo nepriame využívanie slnečnej energie nemá takmer nijaké negatívne vplyvy na životné prostredie a zdravie človeka. Zámerne sme použili slovko takmer, pretože niektoré technológie aktívnej premeny slnečného žiarenia na iné formy energie sú spojené aj s nebezpečnými procesmi. Týka sa to najmä výroby fotovoltických článkov, ktorých základom je kremík. Aj pri výrobe slnečných termických kolektorov sa spotrebuje určité množstvo energie. Podľa dostupných údajov však kolektor počas 18 až 24 mesiacov všetku energiu, ktorá sa spotrebovala na výrobu a inštaláciu systému, sám vyrobí. Tento časový údaj platí pre použitie primárnych surovín na výrobu zariadení.

V prípade výroby z druhotných surovín sa tento čas skráti na niekoľko mesiacov. Jednoznačne teda slnečné kolektory majú obrovský ekologický prínos. Prevádzka slnečných kolektorov sa pozitívne prejavuje tak v mieste inštalácie, ako aj v širších súvislostiach. Samozrejme, globálne pozitívne vplyvy má intenzívne nasadzovanie solárnych systémov. Preto orgány EÚ vypracovali grandiózne plány ďalšieho využitia solárnej energie, preto aj množstvo vlád kladie taký dôraz na túto oblasť. Dnešné slnečné kolektory dokážu v prípade optimálneho zapojenia a prevádzkovania zabezpečiť 50 až 70 % z celoročného množstva energie potrebnej na ohrev pitnej vody.

Optimálne navrhnutý a prevádzkovaný solárny systém dokáže dodať ročne z 1m² kolektorovej plochy 450 až 500, niekedy aj viac kWh tepla. Pre lepšiu názornosť ide v letnom období denne o asi 50 litrov teplej vody s teplotou 50 až 60 °C. V zimnom období, keď slniečko svieti nedostatočne, kolektory vodu iba predhrejú a iný zdroj energie (elektroohrev, kotol ústredného vykurovania) zabezpečí požadovanú teplotu. Netreba sa vôbec obávať, že v horách to fungovať nebude. Naše územie je príliš malé na to, aby boli medzi jednotlivými regiónmi výrazné rozdiely.

A ešte jeden fakt, o ktorom mnohí nevedia – čím vyššia nadmorská výška, tým lepšie. Na prevádzkové výsledky solárneho systému má totiž menší vplyv nízka teplota ovzdušia ako výskyt oblačnosti a hmiel. Vysoko v horách je výrazne čistejšie ovzdušie ako v dolinách alebo kotlinách. Na solárnej mape Slovenska sa preto vynímajú dve oblasti s mimoriadne dobrými podmienkami – okolie Dunajskej Stredy a Vysokých Tatier.
 

129567	129568
Rez štandardným vertikálnym slnečným termickým kolektorom. V lisovanej skrini kolektoru je umiestnená tepelná izolácia, na nej je položený absorbér s medeným meandrovým výmenníkom tepla a zvrchu je solárne bezpečnostné sklo.

Využitie solárnych kolektorov

Najväčšia časť slnečných termických kolektorov – až 80 %, sa využíva na prípravu ohriatej pitnej vody. Druhú, stále rastúcu skupinu predstavujú solárne ohrevy exteriérových a interiérových bazénov. Veľký záujem majiteľov domov je aj o využitie slnečných kolektorov na podporu vykurovania. V súčasnosti okrajovú skupinu predstavujú systémy technologických ohrevov. Nakoniec uvedieme účel využitia, pri ktorom sa očakáva v budúcich rokoch najväčší rast. Ide o solárne chladenie budov, keď kolektory slúžia na pohon sorpčných chladiacich zariadení. V závislosti od úlohy solárneho zariadenia sa dimenzuje nielen veľkosť solárneho poľa, ale aj skladba, veľkosť a počet ostatných komponentov solárneho systému ako celku.

Príprava ohriatej pitnej vody

Na prípravu ohriatej pitnej vody je nevyhnutná inštalácia vhodného solárneho bojlera. Väčšinou ide o stojaté valcové nádoby s rôznym objemom so zabudovaným tepelným výmenníkom, kvalitnou tepelnou izoláciou a vnútornou antikoróznou úpravou. Potrebná veľkosť teplovýmennej plochy je 0,25 až 0,35 m² na l m² kolektorovej plochy. V porovnaní so štandardným zdravotnotechnickým výpočtom objemu bojlera je objem solárneho bojlera dvojnásobný. To umožňuje preklenúť v letnom období aj jeden až dva daždivé dni a maximálne využiť dopadajúce slnečné žiarenie.

Vertikálna konštrukcia zabezpečuje veľmi dobré vrstvenie teploty. Nie je zriedkavý jav, keď je v hornej časti bojlera teplota 65 °C, v strede 40 °C a dole 20 °C. Sériovo sa vyrábajú solárne bojlery so zabudovaným výmenníkom s objemom asi 1 200 l. Pri väčších objemoch už vznikajú konštrukčné problémy s dostatočne veľkou teplovýmennou plochou, preto sa pri väčších solárnych systémoch s väčšími bojlermi používajú riešenia s externými protiprúdovými výmenníkmi tepla (doskové, trubkové, špirálové). Pri využití solárnych kolektorov na prípravu ohriatej pitnej vody treba dodržať tieto podmienky:

• treba používať špeciálne solárne vertikálne bojlery s výrazne väčšou teplovýmennou plochou,
• v rodinných domoch sa ráta na jedného obyvateľa s kolektorovou plochou 1,2 až 1,5 m²,
• na l m² kolektorovej plochy pripadá objem bojlera 50 až 60 l,
• ekonomické využitie solárnych kolektorov na prípravu ohriatej pitnej vody je optimálne, ak kryje 55 až 60 % energie na ohrev,
• z hľadiska účinnosti a celkového zisku je optimálne nastaviť požadovanú teplotu ohriatej vody na 50 až 55 °C (v prípade viacokruhových systémov).

Vykurovanie

Keďže žijeme v oblasti, kde treba počas niekoľkých mesiacov kúriť, celkom prirodzene vyvstáva otázka, či sa dá pomocou slnečných kolektorov vykurovať. Odpoveď nie je jednoduchá a treba upozorniť, že keď niekto ponúka, napríklad päť kolektorov na ohrev pitnej vody, bazéna i na vykurovanie, tak buď klame, alebo tomu nerozumie. V prvom rade treba myslieť na značný rozdiel medzi prísunom energie zo slnka a potrebou tepla na vykurovanie. Technicky je síce možné vykurovať objekt slnečnými kolektormi, ale ekonomická návratnosť takéhoto riešenia je veľmi otázna. Lepšie je hovoriť o podpore vykurovania. Jedným z často využívaných riešení je tzv. trojkombinácia – ohrev pitnej vody, ohrev vody vo vonkajšom bazéne a podpora vykurovania. Pri takomto riešení budú kolektory v lete ohrievať pitnú vodu a bazén a v zimnom polroku predhrievať vodu a podporovať vykurovanie. Na dosiahnutie maximálnej funkčnosti však treba splniť určité podmienky:

• 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 ohrev vykurovacieho média vo vratnom potrubí pred jeho vstupom do kotla alebo rozdeľovača,
• ak má byť prínos kolektorov pre ústredné vykurovanie citeľný, nestačia tri alebo štyri kolektory, treba ich výrazne viac, čo so sebou prináša problém racionálneho využitia letných tepelných ziskov – zmysluplným riešením je napríklad kombinácia s letným ohrevom vonkajšieho bazénu,
• pre solárne vykurovacie systémy je vhodný väčší uhol sklonu kolektorov, napríklad 60°,
• v rekreačných objektoch s prechodným využívaním sa dá napojiť vykurovací systém priamo na kolektory, bez výmenníka,
• v súčasnosti sa presadzujú schémy zapojenia solárnych kolektorov s centrálnym zásobníkom tepla s dostatočným objemom, do ktorého vstupujú okrem kolektorov aj ďalšie zdroje tepla – stále atraktívnejším sa stáva vykurovanie drevom –, a z neho sa napájajú všetky ďalšie spotrebiče,
• z praxe i z literatúry je známe, že v prípade podpory vykurovania má zmysel maximálne 25- až 30-percentné pokrytie energetických požiadaviek na vykurovanie.

Ohrev bazénov

Na ohrev vonkajších nekrytých bazénov treba inštalovať kolektory s plochou rovnajúcou sa približne polovici plochy bazénu. V prípade interiérových bazénov sa plocha kolektorov rovná 80 až 100 % plochy hladiny – na veľkosť kolektorov vplýva fakt, že tieto bazény nemajú priame zisky zo slnka a všetku energiu im treba dodať ohrevom. Bazény pod transparentnými krytmi fungujú samy osebe ako kolektory, takže v letnom období ich treba skôr chladiť, preto je v tomto prípade použitie slnečných kolektorov problematické.

V záujme spoľahlivosti a úspory elektrickej energie je žiaduce vybudovať samostatný cirkulačný okruh bazénovej vody cez solárny výmenník so samostatným čerpadlom. Treba zabezpečiť, aby sa prípadný doplňujúci ohrev z iného zdroja (kotol ústredného vykurovania, elektrická energia) nevyužíval počas dňa, keď sa voda vyhrieva kolektormi. Bazénová voda sa môže prečerpávať aj priamo cez plastové absorbéry, v prípade kovových kolektorov je nevyhnutná inštalácia vhodného (protiprúdového) výmenníka. Potrebnú kolektorovú plochu možno znížiť o 20 až 30 % dôsledným používaním prekrytia hladiny bazénu, keď je mimo prevádzky.
 

129566

Umiestnenie kolektorov

V závislosti od spôsobu využitia a druhu solárneho kolektoru i celkového počtu slnečných kolektorov treba zvyčajne riešiť ich vhodné umiestnenie. Pri umiestňovaní solárnych kolektorov treba zohľadniť dva aspekty: technologický a architektonický. V minulosti sa na estetickú stránku hľadelo menej. Dnes až vo väčšine prípadov estetické hľadisko zohráva nemenej dôležitú úlohu a neraz práve ono má rozhodujúci vplyv na riešenie kolektorového poľa. Z technologickej stránky ide v prvom rade o spoľahlivé upevnenie kolektorov k podkladu.

Vo všeobecnosti platí, že kolektory sa dajú upevniť takmer na všetky druhy sedlových, pultových, valbových či plochých striech, na fasádu i voľný terén, pretože výrobcovia dodávajú nosné konštrukcie pre rôzne typy strešnej krytiny. Esteticky a architektonicky bývajú veľmi vydarené inštalácie kolektorov do strešného plášťa. V takýchto prípadoch kolektory zároveň nahrádzajú strešnú krytinu. Okrem nesporných estetických prínosov takéto riešenie šetrí časť krytiny a zlepšuje pracovné charakteristiky samotných kolektorov. Nevýhodou je možno zvýšená prácnosť spojená s kvalitnou prípravou a dôslednou realizáciou, aby sa vylúčilo riziko zatekania so všetkými z toho plynúcimi dôsledkami.

K menej tradičným miestam vhodným na umiestnenie kolektora patria balkóny, striešky alebo prekrytie parkoviska, ploty, vhodne orientované svahy alebo aj rovný terén. V prípade viacposchodových panelových domov sa okrem umiestnenia na rovnú strechu ponúka i 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 l m² 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. Sporadicky sa vyskytujú aj riešenia nosných konštrukcií, ktoré umožňujú natáčanie a/alebo naklápanie kolektorov za slnkom. Aj keď ide o efektné a zaujímavé riešenie, zväčša býva príliš drahé. Dôsledné natáčanie kolektorov za slnkom prinesie zvýšenie ročného energetického zisku o asi 40 %. Výrazne lacnejší spôsob, ako dosiahnuť rovnaký výkon, je zväčšenie plochy kolektorového poľa.

Cena solárnej sústavy

Cena samotných kolektorov nie je zvyčajne tou najväčšou položkou. Najmä v prípade menších solárnych zariadení na prípravu ohriatej pitnej vody predstavuje cena kolektorov 30 až 40 % z celkovej ceny zariadenia na kľúč. Majiteľ rodinného domu, v ktorom býva 4- až 5-členná rodina, by si mal na tento účel vyčleniť asi 100 000 Sk. Čím je systém väčší, tým je relatívne lacnejší. Ročné prevádzkové náklady (náklady na elektrickú energiu na pohon čerpadiel, revízie, výmena teplonosnej kvapaliny a bežnú údržbu) predstavujú menej ako 0,5 % z investičných. Mimoriadne priaznivé ekonomické ukazovatele dosahujú solárne systémy na ohrev bazénov. Ekonomické hodnotenie vždy závisí od druhu energie, ktorú kolektormi nahradíme, od účelu použitia a požadovaných parametrov.

Jednoduchá návratnosť vychádza vo väčšine prípadov pomerne dlhá – viac ako 10 až 12 rokov, ale po zohľadnení rastu cien palív a energie sa dostáva do podstatne priaznivejšieho svetla. Vo všeobecnosti sa dá očakávať návratnosť vložených prostriedkov v prípade malých solárnych zariadení na prípravu ohriatej pitnej vody v rodinných domoch počas 8 až 10 rokov. Pri ohreve bazénov je to výrazne pod časovou hranicou 8 rokov. Návratnosť, a tým aj ekonomickú zaujímavosť solárnych systémov môže ovplyvňovať aj štát svojou dotačnou a daňovou politikou. V tomto ohľade Slovensko zatiaľ značne zaostáva za väčšinou krajín EÚ.

Podľa kvalifikovaných odhadov je v súčasnosti na Slovensku v prevádzke asi 70 000 m² (zdroj ESTIF, jún 2007) slnečných termických kolektorov. V prepočte na 1 000 obyvateľov sme ďaleko za európskymi lídrami (napríklad Rakúsko má viac ako 300 m²/1 000 obyvateľov. Na zvýšenie tohto počtu prijala Slovenská vláda 25. apríla tohto roku uznesenie o podpore obnoviteľných zdrojov energie formou dotácie pre fyzické osoby na podporu inštalácií slnečných kolektorov a kotlov na biomasu. Dotácie sa majú vyplácať od 1. 1. 2008, ale do dnešného dňa (október 2007) neboli zverejnené vykonávacie predpisy.

V solárnej technike sa podobne ako aj v iných oblastiach sa prejavuje konkurenčný tlak, a tak už väčšina výrobcov a dodávateľov ponúka komplexné riešenia, ktoré minimalizujú náročnosť montáže a znižujú montážne náklady. Takéto súpravy sa ponúkajú už nielen na prípravu ohriatej pitnej vody, ale aj na ohrev bazénov a podporu vykurovania. Aj napriek tomu si však výber vhodného zariadenia a jeho inštalácia vyžadujú dostatok vedomostí a zručností. Nemožno preto odporúčať „ľudovú tvorivosť“ a snahu šetriť na nesprávnom mieste. Pochopiteľne, každý investor sa usiluje znížiť svoje náklady, ale nie vždy lacnejšie riešenie je skutočne lacnejšie.

Veľmi veľký pozor si treba dať na ponuky, ktoré sa výrazne líšia od priemeru. Keďže sa oblasť solárnych zariadení stáva aj u nás obchodne zaujímavou, objavujú sa stále častejšie ponuky, ktoré sú síce cenovo zaujímavé, ale väčšinou nespĺňajú ani základné kvalitatívne a výkonové parametre. Pri kúpe treba vždy žiadať výsledky meraní nezávislých autorizovaných skúšobní a neuspokojiť sa s tvrdením, že „to spoľahlivo funguje v Grécku“. Naše klimatické a prevádzkové podmienky sa výrazne líšia od kempu na pobreží Egejského mora, kde stačí samoťažny systém a kolektory s neselektívnou vrstvou. Takéto systémy sú síce lacnejšie, ale v našich podmienkach sú pre celoročnú prevádzku prinajmenšom diskutabilné. Seriózny a na Slovensku dobre etablovaný výrobca alebo dodávateľ, ktorý nechce na kolektoroch iba rýchlo zarobiť, si dáva dobrý pozor, aby poskytoval iba korektné údaje, a určite nesľubuje kolektory s parametrami „perpetuum mobile“