Solární soustavy pro přípravu teplé vody na panelových domech
Článek pojednává o solárních soustavách na panelových domech, o jejich účinnostech, energetických parametrech, o jejich architektonické integraci do objektu. V článku se dále dočtete o zajímavých aplikacích solárních kolektorů a o příkladech jejich umístění na objektu. Článek také přináší informace o realizaci solární soustavy na objektu SŠt Zelený pruh v Praze 4.
Úvod
V dnešní době zateplování fasád a výměn oken v panelových domech a postupném snižování jejich energetické náročnosti se příprava teplé vody zařadila na čelní příčky ve spotřebě energií. Při snaze o snížení energetické náročnosti pro přípravu teplé vody se využití sluneční energie jeví jako snadné a elegantní řešení tohoto problému.
Solární soustavy v panelových domech
Využití sluneční energie pro přípravu teplé vody v panelových domech je na jedné straně energeticky výhodné vzhledem k celoročně zajištěnému a relativně rovnoměrnému odběru tepla (např. oproti vytápění), na straně druhé musí respektovat daný typ domu, konstrukční soustavu, dispoziční podmínky nejen pro umístění solárních kolektorů, ale také solárních zásobníků, vlastní systém přípravy teplé vody případně zdroj tepla (plyn, elektřina, CZT), který je v dané lokalitě k dispozici. Vlastnímu rozhodnutí o instalaci solární soustavy by proto měla předcházet studie proveditelnosti, která posoudí možnosti realizace a varianty návrhu, ekonomiku instalace a vyhodnotí související rizika.
Provozní účinnost solární soustavy
Vzhledem k nestejným klimatickým podmínkám a různým úrovním dopadající sluneční energie se bude v různých lokalitách a v různých letech hodnota využitých tepelných zisků solární soustavy lišit. Vztažením využitelných tepelných zisků ke sluneční energii dopadlé v místě instalace na plochu kolektorů se stanoví celková účinnost solární soustavy. Účinnost solárních kolektorů je také závislá na jejich orientaci a sklonu (optimálně 45° pro účely přípravy teplé vody). Srovnání různých orientací a úhlů sklonu lze vyčíst z následujících obrázků.
Obrázek 1: Roční profil teoretických dávek slunečního ozáření na různě skloněné plochy
a celkové roční dopadlé energie pro různé umístění plochy kolektorů.
Účinnost solární soustavy charakterizuje energetickou kvalitu solární tepelné soustavy bez ohledu na klimatické podmínky. Účinnost soustavy je závislá jak na kvalitě použitých prvků (kolektor, zásobník, výměník, tepelné izolace, regulace, hydraulické zapojení) tak na dimenzování plochy kolektorů vůči potřebě tepla.
Energetické parametry solárních soustav
Základem návrhu a hodnocení solárních soustav pro přípravu teplé vody je správně stanovená vlastní spotřeba tepla, kterou má solární soustava pokrýt, a skutečně využité tepelné zisky solární soustavy. Určení reálných přínosů solární soustavy slouží jako podklad k energetickému (úspora energie), ekologickému (úspora emisí) a ekonomickému (návratnost) hodnocení solárních tepelných soustav.
Návrh plochy solárních kolektorů
Předpoklady pro úspěšnou technickou realizaci solárních soustav v panelových domech zahrnují kvalitní analýzu provozních podmínek (doba provozu, spotřebitelská náročnost, životní styl obyvatel, roční profil spotřeby, atd.), možnosti umístění solárních kolektorů s ohledem na architektonickou koncepci domu a okolí, a dále prostorových nároků na související technologii (zásobník, rozvody).
Obrázek 2:Roční měrný profil spotřeby teplé vody pro bytové domy (procentní rozložení).
U návrhu solárních soustav pro přípravu teplé vody v panelových bytových domech je zásadní omezující podmínkou skutečnost, že v letním období není k dispozici žádný "spotřebič tepla" pro využití letních zisků. Dimenzování solární soustavy je tak omezeno plochou kolektorů pro krytí letní potřeby teplé vody. Předimenzované solární soustavy v panelových domech mohou vést k provozním problémům spojeným v letním období se stagnací (var teplonosné látky ve velké ploše kolektorů, pronikání přehřáté páry do rozvodů, nebezpečí poškození i prvků vzdálených od kolektorového pole) a ke snížení měrných ročních využitých tepelných zisků solární soustavy, které jsou u bytových domů obecně více zohledňovány z důvodu sledování ekonomických parametrů instalace.
Na Obrázek 3 je znázorněna bilance solární soustavy pro přípravu teplé vody s různým pokrytím potřeby tepla. Z grafu je patrné, jak vlivem předimenzované plochy rostou významně letní nevyužitelné přebytky, zatímco odpovídající pokrytí již významně neroste.
Obrázek 3: Průběh teoreticky využitelných tepelných zisků a skutečně využitých zisků solární
soustavy pro přípravu teplé vody při různém solárním pokrytí (orientační příklad).
Energetické přínosy soustavy - využité solární zisky
Zhodnocení solární soustavy z hlediska jejích energetických přínosů lze provést různým způsobem:
- provozním měřením;
- počítačovou simulací;
- zjednodušeným výpočtem.
Příklady umístění kolektorů
Obrázek 4: Umístění solárních kolektorů na střeše. (BD Orlová)
Nejčastější a nejjednodušší instalace solárních kolektorů na panelových domech je jejich umístění na plochou střechu panelového domu. I zde se ale vyskytují různé problémy. Instalace solárních kolektorů se často dostávají do konfliktu se zástavbou na střeše. Jedná se především o strojovny výtahů, různé nástavby, vyústění vzduchotechniky, antény mobilních operátorů, nebo WiFi. Z toho vyplývá, že ve většině případů nelze využít celou plochu střechy a instalovat původně požadovaný výkon kolektorů. Dalším problémem, kterým je třeba se detailně zabývat, je kotvení kolektorového pole na střeše. Kolektory lze kotvit buď gravitačně, dodatečným přitížením, nebo mechanicky. Při gravitačním kotvení je třeba počítat se zvýšeným statickým působením na střešní konstrukci. Při mechanickém kotvení je nutný zásah do konstrukce střechy, zde při nekvalitním provedení hrozí zatékání do konstrukce, nebo vznik tepelných mostů.
Obrázek 5: Solární kolektory jako stínící prvek nad okny a zastřešení vchodových dveří. (Thermosolar)
Z estetického hlediska mohou kolektory narušovat tvar budovy a tak negativně působit na její vzhled. Proto je nutné se důkladně zamyslet nad vhodnou aplikací solární technologie, kterou můžeme panelový dům naopak oživit. Příkladem zajímavé aplikace solárních kolektorů je jejich využití jako markýz nad okny na jižní fasádě, což řeší v letních měsících nežádoucí tepelné zisky budovy a přehřívání bytů. Další aplikací může být zastřešení vchodu, viz Obrázek 3.
Solární panely je možno také použít jako zábradlí lodžií a balkonů viz Obrázek 6
Obrázek 6: Solární kolektory na zábradlí lodžií. (Matuška)
Na lodžiích je možno kolektory instalovat ve svislé poloze, nebo mírně skloněné, což je z hlediska účinnosti výhodnější. Zde však hrozí nebezpečí poškození ze strany uživatelů bytů. Další možností je integrace solárních kolektorů přímo do obvodového pláště objektu, viz obrázek 7. Například na štítové stěně orientované na jih mohou tvořit vnější plášť fasády.
Obrázek 7: Instalace solárních kolektorů na fasádu budovy. (Matuška)
Pokud umisťujeme solární kolektory na fasádu, nebo lodžie, popřípadě je instalujeme jako markýzy nad okny. Může jejich účinnost negativně ovlivnit stínění okolními budovami, popřípadě vegetací.
Instalace solárních panelů SŠt Zelený pruh
V roce 2006 byla na administrativní budově Střední školy technické na Zeleném pruhu provedena instalace solárních panelů. Solární systém byl navržen pro předehřev teplé vody pro administrativní budovu, školní kuchyni a pro sprchy v bazénu. Dále pak na ohřev otopné vody pro administrativní budovu.
Obrázek 8:Jižní strana budovy SŠt Zelený pruh. (EkoWATT)
V solární soustavě je využito 36 solárních kolektorů typu EUROSOL - FA umístěných na zábradlí lodžií na jižní straně objektu. Ostatní zařízení je umístěno v suterénu objektu, kde se nachází výměník tepla, zásobníky 2,5 m3 pro ohřev topné vody a 2 m3 pro ohřev teplé vody. Dále pak expanzní a pojistné zařízení, oběhová čerpadla a regulace soustavy.
Obrázek 9: Zásobník TV v suterénu objektu, řídící a regulační zařízení soustavy (EkoWATT)
Jako teplonosná látka je využívána nemrznoucí směs SOLAREN. Ohřátá voda je vedena v krytém stoupacím potrubí po vnějšku fasády do výměníků. Nahřívání a využívání jednotlivých zásobníků je řízeno jednotkou MaR.
V září minulého roku bylo zavedeno měření krytí spotřeby teplé vody solární soustavou. Přičemž celková potřeba TV pro kuchyň, administrační budovu a sprchy je cca 80 m3.
| rok | měsíc | dodaná TV m3 |
|---|---|---|
| 2009 | 9 | 4,07 |
| 2009 | 10 | 7,65 |
| 2009 | 11 | 7,29 |
| 2009 | 12 | 3,44 |
| 2010 | 1 | 3,54 |
| 2010 | 2 | 2,45 |
Tabulka 1: Krytí spotřeby TV SŠt solární soustavou.
K výše uvedeným objemům TV je nutno dodat že v zimě byla solární soustava naplněna teplonosnou látkou zhruba ze 3/4, takže její potenciál nebyl zcela využit.
V letních měsících, je přerušen provoz školní kuchyně a hrozí přebytky energie. Tento problém je vyřešen sklonem kolektorů, které v závislosti na poloze Slunce nad horizontem, mají největší solární zisky na jaře a na podzim.
Obrázek 11: Umístění solárních panelů na lodžiích objektu. (EkoWATT)
Kolektiv autorů:
Bc. Miroslav Purkert, Ing. Petr Vogel, Ing. Jan Antonín, Ing. Lucie Šancová, Ing. Petr Kotek, Ph.D., Mgr. František Macholda, MBA, Ing. Jiří Beranovský, Ph.D., MBA, spolupráce: Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.
Zdroje:
[1] Ing. Tomáš Matuška, PhD. FS ČVUT, EkoWATT (2009): Kontrolní zpráva projektu VAV-SP-3G5-221-07
[2] Jiří Kalina společnost Regulus (2010): Telefonická konzultace
[3] SČMBD (2009): Příklad návrhu solární soustavy [Online].
[4] Miroslav Purkert (2010): Osobní prohlídka solárního zařízení SŠt Zelený pruh
Recenze článku
Ing. Bořivoj Šourek, Fakulta Strojní, ČVUT Praha
Autor představuje ve svém článku pohled na možnosti instalací solárních soustav na panelových domech.
V první polovině článku je stručně, ale komplexně shrnuto nutné minimum, které je potřeba pro správný návrh solární soustavy pro panelové domy, se všemi specifiky, které instalace na panelových domech představuje. Může tak sloužit jako poklad vlastníky panelových domů, aby zjistili, co mohou od takové instalace očekávat a alespoň jako nutné minimum pro případnou kontrolu projektové dokumentace, kterou jim projektant předloží.
V druhé části článku jsou pak ukázány některé aplikace na panelových domech, které ukazují různé možnosti instalace kolektorů na budově. Uvedené příklady dokumentují, že i při zdánlivě složité situaci s orientací domu nebo při nedostatku plochy pro instalaci kolektorů na střeše objektu, lze solární soustavu instalovat a hospodárně provozovat
Článek vznikl jako výstup výzkumného projektu VAV-SP-3g5-221-07 - Komplexní rekonstrukce panelových domů v nízkoenergetickém standardu.
The article summarizes thermal heat collectors applications to be made on multi-residential prefab block of flats. The summary includes such overview of efficiency, energy characteristics, technical and architectural concerns. Last but not least there is one case study covered in the text.
