Dohřev vody ze solárního systému

Ve středoevropských podmínkách u standardně dimenzovaných celoročně provozovaných termických solárních systémů je přibližně 60 % solární pokrytí ohřevu užitkové vody. Pro celoroční zajištění teplé vody musí být řešen její dohřev. Nutnost dohřevu není v různých částech roku stejná. V letní polovině roku v období od května do začátku září je 90 až 100% solární pokrytí ohřevu vody. V té době dohřev funguje minimálně a spíše nárazově. Ve zbylé části roku se dohřevné zařízení více či méně významným způsobem podílí na dohřevu vody, zejména v období od listopadu do února je hlavním zdrojem tepla. Pro dohřev můžeme použít prakticky jakýkoli k běžně využívaných energetickým zdrojů a technických zařízení. Solární soustava a dohřevné zařízení musí být jeden navzájem sladěný a efektivně pracující systém, který maximalizuje efektivitu solárního systému a minimalizuje potřebu dohřevu. Zejména dohřevné zařízení nesmí "překážet" solárnímu systému v jeho efektivitě. Vlastnímu praktickému řešení dohřevu vody a jeho efektivnímu včlenění do solárního systému musí být věnována minimálně stejná pozornost jako samotnému solárnímu systému. Nevhodně řešený dohřev může významným způsobem snížit solární energetické zisky nebo nedostatečně zajišťovat dodávku teplé vody jinak dobře navrženého solárního systému za použití kvalitních komponent. Neexistuje jeden nejlepší univerzální způsob řešení dohřevu. Žádný systém dohřevu není zcela ideální nebo dokonalý, každý má své přednosti a nedostatky v závislosti na konkrétních podmínkách instalace. Přesto jsou určité způsoby dohřevu, které jsou z energetického a potažmo i ekonomického hlediska výhodnější než jiné. V následujícím textu jsou blíže popsány základní způsoby dohřevu užitkové vody ze solárního systému s nepřímo nabíjeným zásobníkem pomocí vnitřního spirálového výměníku. Způsoby dohřevu můžeme rozdělit na dvě velké skupiny a to realizovaný v rámci solárního zásobníku a samostatně mimo něj.

1. DOHŘEV V RÁMCI SOLÁRNÍHO ZÁSOBNÍKU

Pro dohřev přímo v solárním zásobníku jsou určeny tzv. bivalentní a trivalentní zásobníky, tedy se dvěmi nebo třemi (případně i více) tepelnými zdroji v jedné nádobě, přičemž jedním z nich je solární systém. Spirálový výměník solárního systému je vždy umístěn ve spodní části zásobníku, aby se jím mohl nahřívat celý objem. Ohřátá voda díky nižší specifické hmotnosti stoupá zásobníkem vzhůru, kde se kumuluje a ukládá v teplotních vrstvách. Dochází tak k teplotní stratifikaci s nejteplejší vodou nahoře a nejchladnější dole. Schopnost teplotní stratifikace a její stabilita v čase má velký význam pro maximalizaci solárních tepelných zisků. Solární výměník trvale obklopený nejchladnější vodou v zásobníku také maximalizuje tepelné zisky. Dohřevná zařízení musí být umístěna v horní části nádrže, aby ohřívala vždy jen tuto část zásobníku a zbylá dolní část byla vždy k dispozici pro ohřev solárním systémem.

Při dimenzování velikosti kolektorové plochy pro vícevalentní solární zásobníky je nutné počítat ne s celým jejich objemem, ale s objemem zásobníku bez objemu ohřívaného dohřevným zdrojem. Pokud tedy budeme mít například dva ploché kolektory a každý je určen pro ohřev 100 litrů, pak nepoužijeme 200 litrový zásobník, ale 300 litrový, kde dochází k dohřevu v jeho horní třetině. V opačném případě nám může dohřívací zařízení v určitých momentech ubírat část tepelné kapacity zásobníku. Dohřev může fungovat v situacích, kdy si to s ohledem na budoucí solární tepelné zisky nepřejeme. Představme si den, kdy je zataženo, solární zisky jsou nulové a dohřev nám nahřívá horní část zásobníku. Ráno následujícího dne vysvitne slunce a svítí po celý den. Ráno je obvykle spotřeba a úbytek teplé vody v zásobníku většinou minimální, a protože je již zásobník částečně nahřátý dohřevem, nemůžeme plně využít solárních zisků z celého dne, které by často stačily na ohřátí celého objemu zásobníku. Zbytečně jsme tak dohřevem ohřívali část zásobníku například elektřinou. Navíc tímto vystavujeme celý systém riziku přehřívání v době vysokých solárních zisků a nízkých odběrů. Často se ve prospěch těchto systémů argumentuje významem elektronické regulace, která nám optimalizuje chod celé soustavy. Regulace to dokáže, ale jen do určité míry. Dokáže nám spínat dohřev na základě naměřených teplot v zásobníku nebo časového schématu. Nedokáže nám ale nikdy předpovídat budoucí počasí a potenciální solární zisky a nedokáže určit časovou dynamiku odběru teplé vody uživateli. Výhodou naddimenzování objemu zásobníku jsou vyšší absolutní zisky. Naopak nevýhodou naddimenzování objemu solárního zásobníku s ohledem na kolektorovou plochu je potenciálně vyšší rozptyl solárně získaného tepla ve větším objemu nádrže při malých solárních ziscích s následnou nutností většího dohřevu. To ale opět souvisí s mírou teplotní stratifikace a jejího udržení. Velkým problémem může být rychlost a způsob vtoku čerstvé vody do zásobníku. Pokud vtokem dochází k nežádoucímu promíchávání vody v zásobníku a narušování teplotní stratifikace, má to velký vliv na snížení efektivity solárního systému a vyšší míru dohřevu. Teplá voda ohřátá dohřevem se rozptyluje do spodní části nádrže, kde ubírá tepelnou kapacitu solárnímu systému a současně způsobuje vyšší nutnou míru dohřevu v horní části.

Dohřevným zařízením nahříváme horní část zásobníku jen na nejnutnější teplotní úroveň. Snížíme tak tepelné ztráty, které s rostoucím teplotním rozdílem mezi zásobníkem a okolím rostou, a které musí dohřevné zařízení případně kompenzovat. Dalším důvodem je zajištění co možná největší tepelné kapacity pro solární systém, který může vodu ohřívat i nad teplotní úroveň dohřevu.

Systémy s vícevalentními zásobníky jsou velmi rozšířené. Výhodou je kompaktnost systému, úspora místa oproti dohřevu v samostatném zásobníku, možnost využití nízkého "nočního" tarifu oproti elektrickému průtočnému dohřevu (viz dále). Nevýhodami jsou tepelné ztráty zásobníku a konečné množství tepla při jednorázovém odběru vody. Dohřev v rámci solárního zásobníku je přijatelné řešení, jak si ale ukážeme dále, existují i lepší a efektivnější způsoby řešení dohřevu.

1.1 Dohřev elektrickou topnou vložkou

Obr. 1. Dohřev v rámci solárního zásobníku pomocí elektrické topné vložky.

Dohřev se děje elektrickou vložkou s termostatem, která je umístěná v polovině nebo horní třetině zásobníku. Výhodami jsou velmi nízké investiční náklady. Nevýhodami jsou relativně vysoké provozní náklady, zejména při nevhodném vysokém tarifu.

1.2 Dohřev pomocí tepelného výměníku

Obr. 2. Dohřev v solárním zásobníku horním spirálovým výměníkem
napojeným na dohřevný tepelný zdroj.

Dohřev může být prováděn pomocí klasického kotle na tuhá paliva (uhlí, dřevo, olej, peletky, brikety atd.), plynovým kotlem, elektrokotlem, krbové teplovodní vložky nebo tepelným čerpadlem. Výhodou je široká použitelnost starších a velký výběr nových typů dohřevných zařízení a v řadě případů i nízké provozní náklady (dřevo). Nevýhodami jsou vysoké investiční náklady na pořízení kotle a bivalentního zásobníku (oproti předchozímu způsobu dohřevu), sezónně fungující dohřev spjatý s vytápěním (uhlí, dřevo) je nutné kombinovat s jiným zdrojem, nejčastěji elektrickou topnou vložkou (viz následující).

1.3 Kombinovaný dohřev tepelným výměníkem a elektrickou vložkou

Obr. 3. Kombinovaný dohřev v solárním zásobníku s elektrickou topnou vložkou
a horním spirálovým výměníkem napojeným na dohřevný tepelný zdroj.

Jedná se o kombinaci dvou předchozích způsobů dohřevu. Uplatňuje se zejména když se dohřev přes spirálový tepelný výměník používá pouze v zimní polovině roku (kombinace s vytápěním), v letní polovině roku se pak voda dohřívá elektrickou topnou vložkou. Elektrický dohřev může také sloužit jen jako pojistka při selhání hlavního dohřívacího zdroje (plyn). Investičně nenáročný elektrický dohřev si uživatelé zřizují také z důvodu budoucího nepředvídatelného vývoje cen energií se záměrem využívání té energie, která bude momentálně provozně ekonomičtější. Tam, kde není dohřev přes spirálový výměník automatizován, ale kde je řízen manuálně uživatelem a kde největším "nákladem" je nutnost přípravy paliva a zatopení, je možné umístit výměník do spodní části zásobníku na úroveň solárního výměníku. Pro uživatele je výhodnější natopit celý zásobník a ne pouze jeho horní část. Větší zásoba teplé vody mu déle vydrží a uživatel nemusí tak často zatápět. Příspěvek solární energie je v zimním období (listopad - únor) nevýznamný, přehřívání solárního systému z důvodu nemožnosti ukládání solárně získaného tepla v zimném období také nehrozí. Výhody a nevýhody jsou stejné jako u dvou předchozích způsobech dohřevu, dva dohřevné systémy také vyžadují vyšší investiční náklady.

2. DOHŘEV MIMO SOLÁRNÍ ZÁSOBNÍK

Dohřev je realizován zcela mimo vlastní solární zásobník, který je určen pouze pro solární systém. Veškerá tepelná kapacita zásobníku je tak plně k dispozici solárnímu systému, o kterou se nemusí dělit s dohřevným zařízením. Při dimenzování velikosti kolektorové plochy se nezohledňuje způsob nebo objem dohřívané vody.

2.1 Dohřev v samostatném zásobníku

K dohřevu dochází v samostatném zásobníku, kterému je předřazen solární zásobník. Voda nejdříve vstupuje do solárního zásobníku, kde se předehřeje nebo úplně nahřeje a následně vstupuje do dohřevného zásobníku, kde se voda podle potřeby dohřeje na požadovanou přednastavenou teplotu. Jeho objem je dán typem dohřevného zařízení a jeho výkonem. Při volbě příliš malého zásobníku hrozí nedostatečné dohřívání vody při jejím větším jednorázovém odběru, při volbě příliš velkého zásobníku vznikají zbytečně velké tepelné ztráty kompenzované vyšší mírou chodu dohřevu. U výkonných dohřevů z tohoto důvodu nahříváme vodu v dohřevném zásobníku jen na nejnutnější teplotní úroveň.

Pro dohřev můžeme použít prakticky jakýkoli z klasických stávajících i nových typů zásobníků. Užitečným opatřením je obtok dohřevného zásobníku s možností jeho úplného vyřazení v nejteplejším období roku (květen - srpen), kdy je potřeba dohřevu minimální. Obtokem se snižují tepelné ztráty dohřevného zásobníku a tím i náklady na dohřev, současně to ale vyžaduje jistou míru obsluhy, což nemusí být pro uživatelem přijatelné. Dohřev se pak provádí pomocí elektrické topné vložky v horní části solárního zásobníku nebo opětovným začleněním dohřevného zásobníku. Při něm ale může být teplota v dohřevném zásobníku nižší než v solárním, což je nevýhodné. Zde je pak možno odpouštěním vody přelít teplejší vodu ze solárního zásobníku do dohřevného a až poté vodu dohřívat. Odpouštěním ale často přicházíme bez užitku o vodu. Dalším způsobem, jak přesunou teplou vodu ze solárního do dohřevného zásobníku, je pomocí čerpadla umístěného na potrubí spojující výstup z dohřevného zásobníku a vstup do solárního zásobníku. Cirkulačním přečerpáním může dojít k vzájemné výměně vody mezi zásobníky. Toto technické řešení je ale vzhledem k nákladům a relativně nízké míry používání nerentabilní.

Mezi obecné výhody patří možnost využití stávajících zásobníků všech typů, mezi obecné nevýhody patří vyšší prostorová náročnost, vyšší investiční náklady a tepelné ztráty (oproti vícevalentním zásobníkům nebo průtočnému dohřevu).

2.1.1 Dohřev elektrickou topnou vložkou

Obr. 4. Dohřev v samostatném zásobníku osazeném elektrickou
topnou vložkou.

Čím delší má uživatel nízký tarif ("noční proud"), tím menší dohřevný zásobník je vhodnější volit. Jednak se tím snižují investiční náklady na pořízení zásobníku, šetří se místem a snižují se tepelné ztráty zásobníku. S tím, jak se snižuje velikost zásobníku musí růst výkon elektrické topné vložky, aby se rychle stíhala dohřívat voda. Vhodným speciálním zásobníkem je například 60 litrový zásobník Galmet 60/E 3V Neptun lux s 3 kW elektrickou topnou vložkou. Výhodou je oproti průtočnému elektrickému dohřevu (viz dále) možnost většího využití výhodnějšího nižšího tarifu.

2.1.2 Dohřev tepelným výměníkem

Obr. 5. Dohřev v samostatném zásobníku se spirálovým
výměníkem napojeným na dohřevný tepelný zdroj.

Pro dohřev lze použít běžné kotle na tuhá i kapalná paliva, elektrokotle, plynové kotle krbové vložky nebo tepelná čerpadla.

2.1.3 Kombinovaný dohřev elektřinou a tepelným výměníkem

Obr. 6. Kombinovaný dohřev v samostatném zásobníku s elektrickou topnou
vložkou a spirálovým výměníkem napojeným na dohřevný tepelný zdroj.

Jedná se o kombinaci dvou předcházejících typů. Ve většině případů dohřev přes tepelný výměník funguje v průběhu topné sezóny a elektrický dohřev funguje přes letní část roku. Při kombinaci dohřevu elektřinou a plynem je možnost využití takového zdroje, jehož provoz je momentálně ekonomicky výhodnější.

2.1.4 Dohřev plynovým kotlem s integrovaným malým zásobníkem

Obr. 7. Dohřev v samostatném zásobníku integrovaném v plynovém kotli.

Zásobník je součástí plynového kotle. Jeho objem může být v závislosti na výrobci a typu zařízení od několika litrů po několik desítek litrů. Dohřev se děje standardně přes spirálový výměník. Pro dohřev se dají použít klasické i kondenzační kotle.

2.2 Průtočný dohřev

Tyto systémy patří z hlediska maximalizace efektivity solárních systémů a minimalizace potřeby dodatečné energie vůbec k nejlepším způsobům dohřevu. Dohřevné zařízení nemá vliv na solární systém a dohřívá se jen takové množství vody o tolik stupňů, kolik je aktuálně potřeba. Odpadají tepelné ztráty kumulací teplé vody v solárním nebo dohřevném zásobníku. Další velkou výhodou je možnost odběru "nekonečného" množství teplé vody. U dohřevů v solárním zásobníku nebo v samostatném zásobníku musí být po vypotřebování teplé vody ponechán čas pro opětovné ohřátí vody. Nevýhodou je limitace aktuálního množství ohřívané vody. Průtočné systémy také nezabírají příliš mnoho místa. Průtočná zařízení musí být schopná zvládnout dvě krajní situace. Jednak ohřát zcela studenou vodu na požadovanou teplotu v době nulových solárních zisků, současně musí být zařízení schopné zvládnout až 90 °C v době velkých solárních zisků. V tomto případě dohřev nesmí fungovat a teplá voda jím musí pouze protéci. Tyto podmínky splňují jen některá speciální dohřevná zařízení se sofistikovanou elektronickou regulací sledující rychlost průtoku a teplotu vstupní vody a na základě toho modulují svůj výkon. Klasické průtokové ohřívače výše popsané situace nezvládají. Buď dochází k nedostatečnému ohřívání vody nebo naopak nebezpečnému přehřívání vody s přepnutím zařízení do poruchy nebo havarijního stavu. Jejich spuštění a ohřev se děje pouze na základě poklesu tlaku při odběru vody. Současně je předpokládáno, že je teplota vstupní vody víceméně stále stejná a nízká.

Obr. 8. Průtokový dohřev plynovým kotlem

Jeden z nejlepších způsobů dohřevu vůbec. Omezující je počet výrobků, které dohřev ze solárního systému bez problémů zvládají. S jistotou to umí nekondenzační plynové kotle Luna 3 comfort (typy 240 Fi, 310 Fi a 240 i) a kondenzační kotle Luna 3 comfort HT (typy 240, 280, 330). Další kotle nejsou autorovi tohoto článku známé.

2.2.2 Dohřev elektrickým průtokovým ohřívačem

Obr. 9. Průtokový dohřev elektrickým průtokovým ohřívačem.

Stejně jako v předchozím případě, i zde je velmi omezené množství výrobků, které dokáží dohřívat vodu ze solárního systému. S jistotou to umí typy DEX Elektronic MPS, DSX Servotronic MPS (Clage), DHE LCD (Stiebel Eltron), DDLE LCD 18, DDLE LCD 18/21/24 a DDLE LCD 27 (AEG). Limitací je maximální možná teplota vstupní vody (60 °C nebo 70 °C) a vysoké příkony zařízení. To klade vyšší nároky na sílu jističe a současně od něho odvozeného vyššího měsíčního paušálu. Není zde možno "čekat" na výhodnější nižší tarif tak jako v případě elektrického dohřevu v rámci solárního nebo dohřevného zásobníku.

2.2.3 Dohřev klasickými průtokovými ohřívači

I když se klasické průtokové ohřívače z výše uvedených příčin nedají přímo použít pro dohřev vody, existuje technické řešení, které umožňuje jejich využití pro dohřev vody ze solárního systému. Instalací trojcestného rozdělovacího ventilu před vstup do ohřívače můžeme příliš teplou vodu (například nad 50 °C) obtokem dovést za ohřívač. Nedostatečně ohřátá voda vstupuje do ohřívače, kde je stabilně přihřívána například o nastavených 40 °C. Při krajních situacích s nulovými solárními zisky a teplotě vstupní vody do ohřívače 10 °C dojde k jejímu ohřátí na 50 °C, v opačném krajním případě při teplotě vstupní vody o přepínací teplotě trojcestného ventilu 50 °C dojde k ohřevu na 90 °C. Tímto způsobem nehrozí ani nedostatečné dohřátí ani přehřátí (vyvření) vody. Za dohřevným zařízením i obtokem musí být instalován termostatický směšovací ventil zaručují stabilní výstupní teplotu vody nastavené hodnoty zabraňující případnému opaření uživatele. Trojcestný rozdělovací a termostatický směšovací ventil se dají nainstalovat samostatně. Existuje také zařízení spojující tyto dva prvky spolu s přídavnými napojovacími armaturami (výrobce firma Hermann). Tímto způsobem se dají využít standardní stávající nebo nové průtokové ohřívače, které by se jinak nedaly použít.

Závěr

Existuje celá řada způsobů řešení dohřevu ze solárního systému. Každý způsob má své výhody a nevýhody v závislosti na konkrétních podmínkách instalace a s ohledem na jiné způsoby dohřevu. Neexistuje jeden nejlepší způsob. Solární systém spolu s dohřevem musí být jeden vyladěný systém maximalizující účinnost solárního systému a minimalizující dohřev. Článek si neklade za cíl vyčerpávajícím způsobem popsat jednotlivé způsoby ohřevu vody ze solárního systému, spíše se snaží nastínit jeho problematiku, podnítit diskusi a výměnu názorů a zkušenosti uživatelů, instalačních a výrobních firem.