Zásobníky tepla s řízeným teplotním vrstvením (stratifikací)
Pro zvýšení využití akumulované energie ze solárních kolektorů se využívá tzv. stratifikačních zásobníků. Teplotní stratifikací se rozumí vrstvení objemu zásobníku podle teploty řízeným ukládáním tepla do vrstev o stejné nebo podobné teplotě. Proč využívat teplotního rozvrstvení lze vysvětlit na jednoduchém příkladu dvou zásobníků teplé vody o objemu 300 l. Uživatel vyžaduje 150 l teplé vody o teplotě 50 °C, přičemž teplota přiváděné studené vody je 10 °C. U prvního zásobníku je horní část zásobníku (150 l) ohřáta na 50 °C a dolní část zásobníku zůstává na teplotě 10 °C, zatímco druhý zásobník je celý nahřátý na 30 °C (zcela promíchán). Do obou zásobníků bylo dodáno stejné množství tepla. Uživatel prvního zásobníku je spokojen, protože má k dispozici požadované množství vody o požadované teplotě. Uživatel druhého spokojen není, neboť odběr požadovaného množství vody ze zásobníku musí být dohříván dodatkovým zdrojem tepla. Jedna soustava tak funguje správně (100 % pokrytí potřeby), druhá špatně i přes to že mají ostatní prvky stejné. Důvodem je rozvrstvení objemu zásobníku podle teploty (stratifikace), resp. hustoty pracovní látky, zde vody. Chladnější a těžší voda se drží u dna, teplejší stoupá vzhůru.
Obr. 1 - Rozdíl mezi stratifikovaným a promíchaným zásobníkem z hlediska využitelné energie
Pro správnou funkci zásobníku je nutné nejen vrstvení podle teploty vytvořit, ale hlavně udržet, aby nedegradovalo. Již z uvedeného příkladu je zřejmé, že "kvalita" teplotního vrstvení objemu v zásobníku bude ovlivňovat provozní parametry celé soustavy, zejména její solární pokrytí. Teplotní vrstvení je ovlivňováno především způsobem přívodu a odběru pracovní látky zásobníku. Pro přirozené udržení teplotního vrstvení objemu zásobníku vlivem vztlakových sil se zásadně používají stojaté štíhlé zásobníky, u kterých dochází k přirozenému teplotnímu rozvrstvení objemu a jeho snadnému udržení. Pro řízení teplotního rozvrstvení se využívá speciálních samočinných stratifikačních vestaveb nebo regulačních prvků.
Princip samočinné stratifikační vestavby je zjednodušeně znázorněn na obr. 2. Pokud je ze solárních kolektorů k dispozici tepelná energie o vysoké teplotě odpovídající teplotě v horní vrstvě zásobníku, ukládá se teplo do této vrstvy (viz obr. 2 vlevo). Pokud je k dispozici teplota nižší (např. vlivem klimatických podmínek), ukládá se teplo do odpovídající chladnější vrstvy (viz obr. 2 vpravo). Výsledkem je takové rozvrstvení zásobníku, kde v horní části je teplota výrazně vyšší než ve spodní části. Kvalitní stratifikační zásobníky, oproti běžným zásobníkům bez řízeného vrstvení, umožňují dodávat teplo o požadované teplotě (bez potřeby dohřevu) do okruhu spotřeby již během náběhu zásobníku tepla, což zvyšuje pokrytí potřeby tepla solární soustavou. Navíc spodní část zásobníku zůstává chladná až do úplného nabití zásobníku a na vstupu do solárních kolektorů se udržuje během nabíjení zásobníku nízká teplota, což zaručuje vysokou účinnost. Použití stratifikačního zásobníku je zásadně výhodné u solárních soustav s nízkým průtokem teplonosné kapaliny (tzv. "low flow" soustavy), u kterých je možné na výstupu z kolektoru docílit vysokých teplot, při zachování nízkých teplot na vstupu.
Obr. 2 - Zjednodušený princip teplotní stratifikace u solární soustavy
Pro zásobníky tepla s řízeným vrstvením se používají různé způsoby jak dosáhnout teplotního vrstvení při nabíjení zásobníku, některé z nich jsou uvedeny na obr. 3. První způsob (vlevo) je řízení stratifikace ventily ovládanými na základě porovnávání teploty v dané vrstvě zásobníku a teploty přiváděné vody. Toho se využívá při rozdělení objemu akumulace do více zásobníků, např. u velkých soustav pro bytové domy. Přívodní potrubí s ventily do zásobníku je potom nutné navrhovat na nízkou vstupní rychlost a konstrukčně řešit tak, aby přiváděný proud nenarušil teplotní rozvrstvení objemu zásobníku.
Obr. 3 - Různé způsoby řízeného teplotního vrstvení
Jednodušším způsobem bez nároku na regulaci a elektrickou energii jsou samočinné trubkové stratifikační vestavby, které pracují na základě rozdílu hustot mezi přiváděnou vodou z výměníku a vrstvami akumulačního zásobníku. Voda o hustotě ρ je přiváděna vždy pod vrstvu, která má nižší hustotu. Trubkové vestavby (uprostřed) jsou levné prvky, zpravidla z plastového PVC potrubí. Odbočky se vybavují vybaveny velmi lehkými zpětnými klapkami, které zabraňují znehodnocení teploty přiváděné teplé vody přisáváním vody z dolní chladnější části zásobníku. Speciální talířové vestavby (vpravo) mají tento problém vyřešen vlastní konstrukcí (přirozená gravitační zpětná klapka). U trubkových vestaveb je důležité udržet nízkou rychlost v přiváděcím potrubí pod 0,1 m/s, aby nebylo teplotní rozvrstvení narušeno účinkem kinetické energie proudu přiváděné vody.
Obr. 4 - Ukázka jednoduchých stratifikačních vestaveb z odpadních PVC trubek
