Novinky a očekávané změny v solární tepelné technice, vytápění a chlazení

Konferenci Alternativní zdroje energie 2014 s podtitulem Obnovitelné zdroje energie pro budovy zítřka pořádala odborná sekce Alternativní zdroje energie Společnosti pro techniku prostředí ve spolupráci s Československou společností pro sluneční energii (ČSSE), členem ISES.

Úvodní zasedání

Karel Kabele na zahájení uvedl, že v důsledku změny klimatu klesá počet denostupňů vytápění a roste počet denostupňů chlazení. Protože se zároveň zlepšují tepelně technické vlastnosti staveb, potřeba energie na vytápění klesá ještě výrazněji. Roste však potřeba energie na chlazení. Novým paradigmatem se stává spotřeba primární energie a podíl neobnovitelných zdrojů.

Jan Tywoniak v přednášce Kvalitní budovy a energetická náročnost hned v úvodu prohlásil, že minimalizovaná energetická náročnost spolu s vysokou kvalitou vnitřního prostředí by měly být přirozenou součástí kvalitní architektury. Minimalizace energetické náročnosti však musí probíhat v souladu s dalšími požadavky. Následovala série ukázek ze zahraničí i z České republiky, kdy byla instalace OZE nenápadná, nebo naopak okázale viditelná, ale i příklady omylů. Na závěr byly shrnuty zásady stavebně energetické koncepce a ukázky jejich použití jednak při rekonstrukci a jednak u novostavby.

Miroslav Urban v přednášce Vliv legislativních požadavků kladených na využití alternativních zdrojů energie se věnoval otázce budov s téměř nulovou spotřebou energie, které by se podle směrnice 2010/13/ES měly postupně zavádět tak, že od roku 2020 by měly být stavěny výhradně takovéto budovy. Hodnocení energetické náročnosti budov se bude provádět s referenční budovou, která se liší pouze vlastnostmi konstrukcí a technických systémů.

Plenární zasedání

Tomáš Matuška v přednášce Certifikace instalatérů OZE: stav v ČR vysvětloval, že současné požadavky české legislativy v otázce certifikace instalatérů obnovitelných zdrojů energie jsou v podstatě v rozporu s požadavky směrnice 2009/28/ES. Směrnice požaduje, aby členské státy osobám, které provádějí instalaci OZE v malém rozsahu, zpřístupnily systém certifikace, který by byl dobrovolný. Český zákon naproti tomu požaduje, aby instalaci OZE prováděla pouze osoba, která k tomu má oprávnění, a to dokonce pod hrozbou pokuty 100 tis. Kč pro fyzické osoby, pokud by si nechaly OZE instalovat neoprávněnými osobami. Paradoxní je, že na kotel na uhlí se uvedené požadavky nevztahují, zatímco na kotel na biomasu ano.

Alfréd Gottas v navazující prezentaci Systém vzdelávania inštalatérov OZE v SR uvedl, že na Slovensku je sice implementace směrnice rozumnější, než v ČR, přesto zůstávají problémy, které je nutno dořešit. Jedním z nich je například skutečnost, že pro absolvování teoretické části s 30 otázkami stačí úspěšnost 70 %, což je podle profesních asociací velmi nízká hodnota. Na Slovensku prošlo školením přes 400 instalatérů, z nichž je asi 30 z ČR. Podle Směrnice, která je nadřazena lokální legislativě, mají právo na vydání osvědčení v ČR. V navazující diskusi zaznělo, že ani směrnice, ani slovenská legislativa neřeší otázku případného vyřazení osoby ze seznamu v případě, že prokazatelně realizuje systém chybně. Podobná situace je i v systému certifikace instalatérů tepelných čerpadel EUcert, popsaný problém však dosud nenastal.

Henry Rosík v úvodu přednášky Certifikace solárních kolektorů uvedl, že certifikát může vydat kdokoli na cokoli, uznávané jsou však obvykle pouze certifikáty vydávané třetími osobami. Značka CE například není značkou kvality, nezaručuje, že zařízení funguje tak, jak výrobce/prodejce tvrdí. Naproti tomu KEYMARK je dobrovolná značka kvality vlastněná CEN (primárně normalizační orgán). V solární tepelné technice se prosadila značka kvality SOLAR KEYMARK – za 10 let bylo vydáno 1800 licencí. Kromě samotného testování kolektorů kontroluje i systém řízení výroby zhruba na úrovni ISO 9001. Za každý typ kolektorů uvedený v databázi je vybírán licenční poplatek (350 resp. 290 €). V současnosti se připravuje outsourcing a globalizace této značky kvality.

Josef Slováček v přednášce Značka kvality pro tepelná čerpadla nejdříve krátce popsal problémy, s nimiž se tepelná čerpadla potýkala na začátku 80. let minulého století, kdy po počátečním boomu došlo k prudkému poklesu zájmu o tepelná čerpadla. Na počátku 90. let vzniklo v Evropě několik nezávislých značek kvality, které byly v roce 2008 sjednoceny do současné European Quality Label for Heat Pumps. V současnosti je 12 testovacích středisek, z nichž jedno je i v ČR. Minimální hodnoty COP nutné pro získání značky kvality pro tepelná čerpadla se budou v nejbližší době zvyšovat. V současnosti jsou 4,3 pro systém země-voda (B0/W35), 5,1 pro systém voda-voda a 3,1 pro systém vzduch-voda. Tepelná čerpadla budou mít štítek, na němž bude uveden sezónní topný faktor.

Jakub Hrbek seznámil posluchače se současným nastavením programu Nová zelená úsporám. Míra podpory v oblasti podpory A Snižování energetické náročnosti stávajících rodinných domů je tím vyšší, čím nižší je energetická náročnost budovy po realizaci opatření. Novinkou je zvýšení dotace na odborný posudek z původních 10 000 Kč na dvojnásobek. Další novinkou je dotace na zpracování odborného posudku pro instalaci solárního termického systému. Aktuální informace o programu jsou v článku Nová zelená úsporám přehledně . Na dotaz v diskusi odpověděl, že SFŽP nevylučuje do budoucna zavedení podpory pro fotovoltaické systémy na ohřev teplé vody.

Solární kolektory

Libor Mrňa popsal v přednášce Solární absorbér se strukturovaným povrchem - možná cesta ke zvýšení účinnosti vývoj poduškového solárního absorbéru svařovaného laserem ze dvou nerezových plechů. Teplonosná kapalina v takovém absorbéru omývá v podstatě celou absorpční plochu kolektoru, čímž se sníží tepelný odpor při přestupu tepla z absorbéru do kapaliny. V další fázi bude řešena výroba strukturovaného povrchu, který by měl zajistit vyšší absorpci slunečního záření.

Jaroslav Peterka se v přednášce Velkoprůměrové solární vakuové trubice ve světě a vývoj v ČSSR a SRN zaměřil na historii. Základní milníky solární tepelné techniky jsou: patent na plochý solární kolektor v roce 1891, vakuové solární trubice v roce 1930 a spektrálně selektivní vrstva v roce 1955. Rozvoj solární tepelné techniky začal po ropných krizích v 70. letech 20. století. Již v 80. letech vyráběly první solární trubice VVÚS Trenčín a SZTS Bratislava. Z různých důvodů však velkoprůměrové vakuové trubice přestaly být používány.

Viacheslav Shemelin v přednášce Teoretická analýza plochého solárního kolektoru s vakuovým zasklením porovnával běžný plochý kolektor s několika variantami hypotetického kolektoru s vakuovým zasklením. Vakuové zasklení je tvořeno dvojící skel s velmi malou mezerou o šířce pouhých 0,2 mm evakuovanou na tlak 0,1 Pa, čímž se eliminuje přenos tepla konvekcí. Přenos tepla zářením lze eliminovat nízkoemisivním povlakem skla. Podle nové normy bude účinnost zásadně vztahována k hrubé ploše kolektoru (jak bylo dosud běžné pouze u fotovoltaiky).

Nikola Pokorný v přednášce Modelování provozu solárního tepelného kolektoru popsal matematický model solárního tepelného kolektoru pro hodnocení jeho provozního chování ve dvou variantách – statické a dynamické. V rámci validace modelu byly obě varianty porovnány s měřenými daty. Ze srovnání statického a dynamického modelu vyplývá, že vliv tepelné setrvačnosti kolektoru je zanedbatelný – do 1 % denního výnosu, přestože při rychlých změnách slunečního ozáření se okamžité naměřené hodnoty od teoretických výrazně liší. Zajímavé bylo zjištění, že skutečné parametry měřených kolektorů se liší od hodnot deklarovaných výrobcem.

Stanislav Mach v přednášce Vzduchové tepelné čerpadlo a solární termické kolektory popsal výhody propojení solárních kolektorů s čerpadletepelným m. Tepelné čerpadlo vzduch-voda bylo doplněno výměníkem tepla, který teplem z kolektorů předehříval chladivo před vstupem do kompresoru. Zvýšením teploty chladiva o 1 °C se dosáhlo zvýšení výkonu o 3 %. Rovněž kolektory mají v tomto zapojení vyšší výkon díky nižší vstupní teplotě. V intenzivní diskusi, která následovala, zazněl názor, že kolektor s horšími parametry bude mít v tomto zapojení lepší výsledky. Otázkou je ekonomická efektivnost takové investice.

Solární soustavy

Martin Kny v přednášce Solární systém s dlouhodobou akumulací tepla představil simulační analýzu solárního systému s plochou absorbéru 274 m2 a objemem zásobníku 450 m3. Systém je určen pro vytápění a ohřev teplé vody v nízkoenergetickém bytovém domě s 16 byty a 58 obyvateli. Obdobné systémy mohou teoreticky pokrýt veškerou spotřebu tepla, doba návratnosti je však příliš dlouhá. Při solárním pokrytí kolem 85 % odpovídá ekonomická návratnost životnosti systému. Bylo vyhodnoceno 7 variant zapojení, z toho 3 s tepelným čerpadlem. U variant s TČ bylo solární pokrytí o 15 až 20 % vyšší. V diskusi zaznělo, že ekonomická návratnost obdobného systému vycházela na 25 let ve srovnání s vytápěním elektřinou. Je otázka, zda není ekonomicky výhodnější zateplení na pasivní standard.

Mojmír Vrtek v přednášce Solární soustava bez nemrznoucí směsi uvedl celou řadu technických a ekonomických důvodů pro celoroční provoz solární soustavy bez nemrznoucí směsi. Nevýhodou tohoto řešení je spotřeba tepla a čerpací práce pro ochranu primárního okruhu proti zamrznutí. Na základě porovnání různých variant bylo vybráno řešení, kdy se ochrana proti zamrznutí spouští při teplotě venkovního vzduchu 1 °C. Do venkovních částí solárního systému je pouštěna voda o takové teplotě, aby se zpět vracela voda o teplotě 3 °C. Za těchto podmínek se spotřebuje kolem 2 % tepla vyrobeného solárním systémem. Teplo je odebíráno z akumulačního zásobníku solárního systému. V diskusi bylo doplněno, že v Německu existuje dovozce, který dováží vakuové trubice z Číny a instaluje velké průmyslové systémy (desítky systémů) bez nemrznoucí směsi, a funguje to.

Michal Bejček v přednášce Případová studie absorpčního solárního chlazení popsal návrh chladicího systému pro administrativní budovu, která za vhodných podmínek využívá noční vychlazování. Simulace systému byla provedena v programu TRNSYS. Byly použity vakuové trubicové kolektory, které pokryly 70 % potřeby tepla pro absorpční chladicí jednotku. Systém bylo nutno doplnit zásobníkem chladu, což však mohlo být dáno skutečností, že model neuvažoval akumulační schopnosti stavby. Výhodou absorpčního chlazení je výrazně nižší spotřeba elektřiny – poměr vyrobeného chladu a dodané elektřiny je 30:1. V diskusi bylo doplněno, že ekonomicky je výhodnější kompresorové chlazení, dokonce i v kombinaci s fotovoltaikou.

Radek Begeni v přednášce Solární chlazení popsal základní typy sorpčních chladicích zařízení. Adsorpční jednotky využívají jednoduchý systém s adsorbentem (zeolit nebo silikagel), potřebují zdroj tepla o teplotě minimálně 55 °C, jejich účinnost se pohybuje od 40 do 60 %. Jednostupňové absorpční jednotky potřebují zdroj tepla o teplotě minimálně 70 °C, dosahují však účinnosti 70 až 80 %. Dvoustupňové absorpční jednotky dosahují účinnosti přes 100 %, vyžadují však teplotu topného média minimálně 75 °C. Ve srovnání s tím kompresorová chladicí zařízení dosahují účinnosti kolem 300 %, k pohonu je však nutno použít cennější energii – elektřinu. Ve druhé části přednášky uvedl příklady realizací. Podle příkladu uvedeného v přednášce se může sorpční chlazení vyplatit s prostou návratností kolem 11 let.

Tomáš Matuška prezentoval Porovnání zjednodušeného hodnocení solárních tepelných soustav s počítačovou simulací. Porovnával zjednodušenou metodiku podle TNI 73 0302, a to jak původní verzi z roku 2009, tak její revizi z roku 2014, s metodou podle ČSN EN 15316-4-3 a počítačovou simulací v programu TRNSYS. Výsledky podle evropské normy jsou oproti počítačové simulaci obvykle podhodnoceny, při vyšším ročním výnosu (= nižším solárním pokrytí) i výrazně. Naopak výsledky podle TNI 73 0302 jsou spíše mírně nadhodnoceny. V diskusi bylo doplněno, že SFŽP byl upozorněn, že nelze penalizovat investora na základě odchylky od návrhu pomocí TNI 73 0302.

OZE ve veřejných a komerčních budovách

Miroslav Šafařík vysvětloval Význam zavádění systému managementu hospodaření s energií podle ČSN EN ISO 50001 v českých městech. Zavádění EnMS (= energy management system) má vést ke snižování energetické náročnosti, lze ovlivnit až 60 % spotřeby energie. Základem je přehled o spotřebě energií a nákladech na energie v jednotlivých budovách ve vlastnictví města. Následně jsou vyhodnoceny možnosti jejich snižování a připraven akční plán s návrhem plánovaných opatření na 1 rok. Jako příklad bylo uvedeno zavádění EnMS ve statutárním městě Opavě. Pro podporu práce energetických manažerů je k dispozici software od různých dodavatelů.

Jiří Kalina v přednášce Instalace OZE v budovách a zařízeních občanské vybavenosti uvedl základní důvody pro instalaci OZE: úspory energie a financí, ekologie, závazky v rámci strategie EU 20 20 20 a dotace, které jsou na tato zařízení poskytovány. Následně popsal základní charakteristiky jednotlivých zdrojů tepla a chladu (solární kolektory, kotle na biomasu a tepelná čerpadla). V další části přednášky prezentoval ukázky realizace OZE v budovách a zařízeních občanské vybavenosti. Budovy občanské vybavenosti jsou kromě administrativních budov rovněž zdravotnická, sociální a školní zařízení a sportovní centra.

Marek Bláha přednášel na téma Využití tepelných čerpadel vyšších výkonů pro vytápění a chlazení komerčních budov. Topení a chlazení je obvykle navrhováno zcela samostatně bez vzájemné vazby. Stává se proto, že jsou v provozu oba systémy současně, čímž se zvyšují náklady. Reverzibilní TČ nepřináší žádné výhody. Správné zapojení je se dvěma akumulátory, kdy TČ zároveň topí i chladí, tj. souběžně ohřívá akumulátor tepla a chladí akumulátor chladu. Teprve když nastane vyšší potřeba tepla, připojí se k systému vrty (analogicky u chladu). Z mnoha důvodů je výhodné kaskádové zapojení většího počtu menších TČ. Jako akumulátor tepla/chladu lze využít energetické piloty.

Miloš Lain začal přednášku Administrativní budova a její provoz jako alternativní zdroj tepla pro vytápění otázkou: „Potřebujeme vůbec vytápět?“ Otopné systémy jsou navrhovány na maximální tepelnou ztrátu, tj. bez zahrnutí vnitřních zisků. Jenže v provozu jsou vnitřní zisky často tak vysoké, že vytápění vůbec není potřeba – ve dne má budova energetické zisky, v noci sice zisky nemá, ale není nutno větrat a je možno připustit pokles teploty. Výsledek je, že při teplotách nad 0 °C vůbec není třeba vytápět. Pokud bude přiváděn vzduch o přiměřené teplotě, není nutno místnost vytápět ani při teplotách kolem -15 °C (kromě krátkého období ráno po nočním útlumu). Zároveň však může vznikat diskomfort – lidé si stěžují na pocit chladu od oken, průvan a podobně. Neexistuje jednoduché univerzální řešení, je nutno řešit rozpor energie x komfort. Výhodné jsou však masivní stavby s menším podílem prosklených ploch.

Elektřina a teplo z OZE

Dalibor Skácel začal přednášku Problematika a rozvoj solární tepelné techniky v kontextu s fotovoltaikou prohlášením, že bude „hájit obžalovaného, mladého, agresivního a nevinného…“ – fotovoltaiku. V úvodu provedl porovnání FV a FT na konkrétních systémech nabízených jednou firmou (obdobné porovnání je v článku Příprava teplé vody – fotovoltaika nebo solární tepelné kolektory? a v článku Porovnání solárního fototermického a fotovoltaického ohřevu vody). Mnohem užitečnější než oba obory porovnávat je se od úspěšnějšího poučit. Například teprve fotovoltaika začala řešit jak naložit se solárními přebytky využitím funkcí „Ready to go“ a „Not necessary“. Budoucnost solární tepelné techniky tkví pravděpodobně v jednoduchých technických provedeních optimálních z hlediska poměru cena/výkon: beztlaké systémy, samotížné systémy, bezvýměníkové systémy, bezkapalinové systémy, pasivní systémy, …

Tomáš Matuška přednesl Energetické a ekonomické srovnání solárního fototermického a fotovoltaického ohřevu vody. Obsah přednášky je totožný s již publikovaným článkem Porovnání solárního fototermického a fotovoltaického ohřevu vody. Na rozdíl od předchozího přednášejícího vidí příležitosti, kde se fotovoltaika může přiučit u termických systémů. Například umístění AC dohřevu u FV systémů pro ohřev vody je koncepčně chybné. Topné těleso pro dohřev by optimálně mělo být umístěno v horní třetině zásobníku.

Milan Novák navázal přednáškou Praktické výsledky testov solárneho fototermického a fotovoltaického ohrevu teplej vody. Na začátku se zamýšlel nad perspektivami. Zlevňování FV bylo na podzim loňského roku zpomaleno díky antidumpingovému clu na dovoz čínských panelů do EU. Je však pouze otázkou času, kdy bude pokles cen pokračovat. Kadmium (ekologicky nesympatické) se dá údajně nahradit hořčíkem, který je dostupný. Výsledky měření byly prezantovány již na konferenci Sollaris Nitra 2014 (viz článek Další porovnání fotovoltaiky a solárních termických kolektorů ), jsou však dosud považovány za předběžné, protože doba měření je dosud kratší než jeden rok. Poměry mezi výnosy jednotlivých systémů jsou však v dobré shodě s numerickou simulací prezentovanou v předchozí přednášce. Ve srovnání s článkem Optimalizace fotovoltaického systému pro přípravu teplé vody vychází při zahrnutí vlivu teploty maximální výnos asi 71 %. Je-li cílem energetická nezávislost, lze jí dosáhnout jedině kombinací zdrojů. Může se jednat o FV+FT+biomasu, případně ještě v kombinaci s energií větru.

Miroslav Machalec v přednášce Jak se hasí domy s fotovoltaikou prezentoval zastaralé informace, které byly opakovaně vyvráceny (například v článku Představuje fotovoltaika při požáru vážné riziko pro hasiče? ). Pro hašení fotovoltaických zařízení existuje v České republice metodický list, který vydalo Ministerstvo vnitra – GŘ HZS ČR. Podle tohoto dokumentu z roku 2012 se fotovoltaika na střechách budov hasí obdobně jako elektrická zařízení pod napětím do 400 V, tedy vodou ze vzdálenosti 5 m plným proudem a ze vzdálenosti 1 m roztříštěným proudem. Obdobný předpis byl mnohem dříve vydán v Německu, vzdálenost 5 m resp. 1 m však platí pro napětí do 1000 V.

Petr Hajdučko v přednášce Technologie koncentrační solární elektrárny typu CSP dish Stirling uvedl přehled možností uvedené technologie a jejích výhod ve srovnání s jinými technologiemi. Technologie CSP obecně, tedy i dish Stirling, jsou použitelné v oblastech s vysokým podílem přímého slunečního záření, jmenovitě v pouštích, kde převažuje jasná obloha. V České republice se však jasná obloha vyskytuje spíše výjimečně, což použitelnost této technologie v podstatě vylučuje. V diskusi doplnil, že cena vyrobené elektřiny se pohybuje kolem 0,25 $ct/kWh (kolem 5 Kč/kWh) při návratnosti 10 let.

Bohumil Horák se v přednášce Využití elektromobilu jako součást akumulační soustavy elektrické energie energeticky nezávislého rodinného domu věnoval především vyjmenování výzkumných a propagačních aktivit svého pracoviště na Vysoké škole Báňské, od fotovoltaické elektrárny, přes závody solárních vozítek (velikosti řádově 10 cm) a obdobných vozítek s miniaturními palivovými články až po laboratoř palivových článků a konečně i experimentální elektromobil Kaipan. V závěru přednášky se dotkl možností demand-side managementu a případného zapojení akumulátoru elektromobilu do energetické soustavy rodinného domu. Z přednášky není zřejmé, zda se jedná o výzkum na VŠB, nebo je citován projekt INEES (Inteligentní síťové propojení elektromobilů pro poskytování systémových služeb), případně jiný výzkumný projekt, protože tato možnost je běžně zmiňována v souvislosti s rozvojem chytrých sítí a volatilních OZE (fotovoltaika a vítr) již přinejmenším pět let.

Konference se konala za finanční podpory Státního programu na podporu úspor energie a využití obnovitelných zdrojů energie pro rok 2014 - Program EFEKT.