Solární ohřev venkovních bazénů

Proč využívat solární energii

Vyhřívané venkovní bazény jsou významnými spotřebiteli energie. V České republice je zhruba v polovině případů energie získávána spalováním fosilních paliv. Požadavky na teplotu vody jsou u plaveckých bazénů nízké, optimální teplota vody pro rekreační plavání je v rozmezí 24 až 28 °C. Tyto podmínky jsou pro solární systémy z hlediska účinnosti výhodné. Vzhledem k nízkým požadavkům na teplotu vody je možno použít nejjednodušší a nejlevnější dostupné kolektory.

Důvodů proč využívat sluneční energii je celá řada. Z ekonomického hlediska je významné, že na rozdíl od cen paliv a energií ceny solárních systémů v dlouhodobém pohledu klesají. V řadě případů jsou již dnes solární systémy z hlediska celého životního cyklu ekonomicky výhodnější než konvenční zdroje.

Environmentální srovnání

Ve srovnání s fosilními palivy dochází při použití solárních systémů k významé redukci emisí CO₂, viz následující tabulka.

Emise při výrobě elektřiny závisí na použitém palivu, pro výrobu elektřiny z uhlí jsou v českých elektrárnách měrné emise asi 890 až 1760 g/kWh, v jednom případě až 2490 g/kWh. Měrné emise tepelného čerpadla závisí na emisích při výrobě elektřiny a topném faktoru, pro energetický mix elektráren v ČR jsou odpovídající emise v rozmezí 120 až 200 g/kWh dodaného tepla.

Ploché kolektory většiny výrobců lze na konci životnosti relativně snadno rozebrat a rozseparovat na jednotlivé materiálové skupiny, které lze následně recyklovat. Materiálová recyklace plastových absorberů je problematická, možné je pouze energetické využití (spalování).

Solární systémy pro plavecké bazény

Solární systém je možno instalovat samostatně nebo v kombinaci s doplňkovým zdrojem energie. Z hlediska celkových nákladů je výhodnější systém bez dodatečného ohřevu. Systém s dodatečným ohřevem však zajistí požadovanou teplotu vody i v obdobích s nedostatkem slunečního záření.

Vzhledem k nízkým požadovaným teplotám vyhoví pro solární vytápění bazénů kterékoli kolektory. Z ekonomického hlediska však přicházejí v úvahu dva typy – nezasklené absorbery a ploché kolektory. Jsou možná i jiná řešení – teplo z podstřešního prostoru, odpadní teplo z technologických procesů nebo z kogenerační výroby elektrické energie, kterého je v létě nadbytek.

Nezasklené absorbery

Nezasklené absorbery jsou vyráběny z plastu (propylen - PP, polyetylen – PE a další) nebo ze syntetického kaučuku (EDPM). Konstrukčně jsou absorbery dvou typů – trubkové a ploché, viz obrázek dole. Trubkové lze snadno přizpůsobit libovolně tvarovanému povrchu. Výhodou plochých absorberů je absence mezer, ve kterých se zachycují nečistoty; ty pak mohou zahnívat a snižovat účinnost absorberu. Při použití speciální konstrukce je možné absorbery montovat i na šikmou střechu.

Používané materiály jsou do jisté míry odolné bazénové chemii. Solární systém proto může být velmi jednoduchý, bazénová voda může být po úpravě (filtraci) vedena přímo do solárního systému, viz obrázek dole. Často vyhoví i původní čerpadlo. Pouze dávkování chloru musí být vyřešeno tak, aby jeho koncentrace v absorberu nepřekročila 0,6 mg/l. Při větších koncentracích by mohlo dojít až k poškození absorberu. Vhodné je umístění chlorovacího zařízení za solárním systémem.

Plastové absorbery mají významně kratší životnost než ploché zasklené kolektory. Rovněž jejich recyklace na konci životnosti je problematická. Systémy s absorbery nejsou vhodné pro celoroční provoz, jsou proto v ČR vyřazeny z dotačních programů.

Ploché zasklené kolektory

Ve srovnání s nezasklenými absorbery mají zasklené kolektory výrazně vyšší účinnost zejména při nižší úrovni slunečního záření a při nižších teplotách vzduchu, viz obrázek dole. Energetické zisky na rozdíl od nezasklených absorberů téměř nezávisí na rychlosti větru. V celoroční bilanci může být rozdíl až dvojnásobný, v provozní sezóně venkovních bazénů je méně výrazný. Výhodou zasklených kolektorů je vyšší využitelnost získaného tepla, například pro sprchování.

Protože měděné trubky kolektorů neodolávají bazénové chemii ani v malých koncentracích, je třeba vložit mezi solární a bazénový okruh výměník tepla z korozně odolného materiálu. Pro cirkulaci teplonosné kapaliny v solárním systému je nutno doplnit solární čerpadlo. Výhodou je možnost použít v kolektorovém okruhu nemrznoucí směs, solární okruh pak není nutno na zimu vypouštět a systém se stává téměř bezúdržbovým.

Vzduchový kolektor

Jedná se o velmi levnou variantu v případě, že je k dispozici vhodná střecha. Konstrukci střechy je třeba mírně upravit – zvětšit výšku kontralatí, aby se vytvořila dostatečná vzduchová mezera nad tepelnou izolací (vyznačeno modře). Součástí systému je namísto kolektorového pole jeden nebo více výměníků tepla vzduch-voda s ventilátorem.

Systém s dodatečným ohřevem

Požaduje-li provozovatel bazénu zajištění stabilní teploty vody i za zhoršených klimatických podmínek, je nutno solární systém doplnit o doplňkový zdroj tepla. Zvlášť výhodná je v tomto případě instalace tepelného čerpadla. Tepelná čerpadla vzduch-voda mají v daném použití vynikající topný faktor. Na kombinaci solárních kolektorů a tepelného čerpadla bylo možno v roce 2008 získat dotace z operačního programu Průmysl a inovace.

Energetická bilance bazénu se solárním systémem

Pro zajištění požadované teploty vody v bazénu je třeba dodávat energii, jejíž množství je rozdílem mezi energetickými ztrátami a energetickými zisky bazénu. Pro výpočet energetických ztrát bazénu je možno využít níže uvedené rovnice.

Ztráta tepla výparem z vodní hladiny

kde
AF - faktor aktivity, pro venkovní bazény:

P_e - ztráta tepla výparem
A_p - plocha hladiny bazénu
v_a - rychlost větru na hladině vody
p_dw - parciální tlak vodní páry na hladině vody
p_da - parciální tlak vodní páry ve vzduchu
N - počet plavců na 10 m2 plochy bazénu

Ztráta tepla radiací

kde

P_r - ztráta radiací
T_p - teplota vody v bazénu
T_sky - teplota oblohy
T_a - teplota vzduchu
T_adp - teplota rosného bodu vzduchu

Ztráta tepla konvekcí

kde
P_c - ztráta konvekcí
α – součinitel přestupu tepla na hladině vody

Energetické ztráty bazénu závisí především na požadované teplotě vody. Zvýšení teploty vody o 5 °C může zvýšit spotřebu energie až o 100 %. Na druhé straně závisí spotřeba energie na klimatických podmínkách (teplotě, vlhkosti a rychlosti větru), které ovlivnit nemůžeme. Při rychlosti větru 10 m/s mohou ztráty vzrůst až o 300 %. Nejvýznamnější položkou energetické ztráty je výpar vody – přes 50 %, ostatní položky – konvekce do vzduchu a radiace do noční oblohy jsou méně významné. Údaje o podílu jednotlivých složek energetické ztráty bazénu se liší v závislosti na zdroji informací, příklady jsou uvedeny v následující tabulce.

V tabulce není uvažováno vedení do podloží, jehož podíl je zanedbatelný.

Zisk energie ze slunečního záření

V případě venkovních bazénů přichází v úvahu jediný zdroj energetických zisků – dopadající sluneční záření. Z níže uvedeného obrázku je zřejmé, že voda pohlcuje zejména dlouhovlnné záření. Světlo kratších vlnových délek proniká do velké hloubky a vodu v podstatě neohřívá. Celkově se ve vodě pohltí až 70 % dopadajícího slunečního záření.

Tmavé stěny bazénu by mohly zachytit část zbývající energie, kterou voda neabsorbuje, podobně působí i kalná voda v přírodních nádržích. Otázkou zůstává, nakolik je přijatelné, aby stěny a dno bazénu byly například červenohnědé nebo černé.

Optimální orientace a sklon kolektorové plochy

V ročním úhrnu dopadá největší množství slunečního záření na plochu se sklonem přibližně 30° orientovanou k jihu. Při jiné orientaci kolektorové plochy jsou energetické zisky nižší. Orientace a sklon kolektorové plochy však nejsou nijak kritické, jak je vidět z obrázku dole. Pro provoz pouze v letní sezóně je optimální sklon kolektoru nižší, dobře vyhoví i vodorovná plocha. Větší vliv na energetické zisky může mít zastínění kolektoru okolními budovami nebo vzrostlými stromy.

Porovnání energetických zisků různých typů kolektorů (nezasklený, zasklený, vakuový) bylo uvedeno dříve.

Impact Advisor

Pro podporu rozhodování o investicích do solárního ohřevu byl v rámci projektu SOLPOOL vyvinut jednoduchý ekonomický výpočetní nástroj Impact Advisor. Je určen především pro vlastníky a provozovatele bazénů. Stejně dobře však může posloužit projektantům a realizačním firmám. Jedná se o velmi jednoduchý prostředek pro předběžné ekonomické porovnání variant solárního ohřevu venkovního bazénu, nenahrazuje odborný posudek. Impact Advisor je dosupný zde v několika jazykových verzích.

Ekonomické porovnání systémů

Investiční náklady na solární systémy pro venkovní bazény jsou vyšší než náklady na konvenční systémy srovnatelného výkonu. Nižší provozní náklady však znamenají velmi rychlou amortizaci zvlášť v případě nezasklených absorberů. V časovém horizontu 15 let při úrokové míře 6 % jsou investice do solárního systému výhodnější než investice do konvenčního systému ohřevu. Porovnání několika systémů ohřevu s roční produkcí energie 200 000 kWh je uvedeno v tabulce dole.

Významný je rovněž aktuální trend na trhu s energií. Ceny energií z konvenčních zdrojů rostou v posledních letech o více než 10 % ročně. Tato skutečnost solární systémy z dlouhodobého hlediska ještě více zvýhodňuje.

Ceny systémů v závislosti na jejich velikosti

Porovnány jsou tři velikosti systému podle kolektorové plochy – malý (10 m2), střední (100 m2) a velký (500 m2). Porovnání investiních nákladů (včetně montáže „na klíč“) a jednotkové ceny různých kolektorových systémů je uvedeno v tabulce dole. Všechny údaje jsou vztaženy k celkové ploše, kterou kolektory zabírají (nikoli k apertuře, jak je obvyklé). Hodnoty pro velké systémy byly získány od výrobců a dodavatelů přímým dotazováním. Hodnoty pro střední a malé systémy byly odvozeny na základě podrobné kalkulace velkých systémů a katalogových cen odpovídajících komponent. Hodnoty pro vakuové kolektory jsou pouze orientační, byly získány na základě ceny jediného systému. Všechny hodnoty jsou vztaženy k celkové ploše kolektorů (vnější rozměr rámu).

Podrobné členění investičních nákladů kolektorového systému s plochými zasklenými kolektory o ploše kolektorového pole 500 m2 je uvedeno v následující tabulce. Náklady na konstrukci pro zajištění vhodného sklonu kolektorů představují asi 15 % výsledné ceny solárního systému. Pro letní provoz je otázkou, nakolik je tato položka nutná. Jak je uvedeno výše, zvýšení energetického zisku na skloněné rovině oproti vodorovnému umístění je zanedbatelné.

Významnou položkou konečné ceny solárního systému jsou náklady na montáž. Představují kolem 10 až 15 %. Na této položce však není vhodné šetřit. Montáž by měla provádět odborná firma, která má prokazatelné zkušenosti s montáží solárních systémů.

Závěr

Důvodů proč využívat sluneční energii je celá řada. Na rozdíl od cen paliv a energií, které v posledních letech rostly rychlostí 10 % ročně, ceny solárních systémů v dlouhodobém pohledu klesají. V řadě případů jsou již dnes solární systémy z hlediska celého životního cyklu ekonomicky výhodnější než konvenční zdroje.

Z environmentálního hlediska dochází při použití solárních systémů k významé redukci emisí CO₂ ve srovnání s ohřevem fosilními palivy. Ploché kolektory lze na konci životnosti relativně snadno rozebrat a rozseparovat na jednotlivé materiálové skupiny, které lze následně recyklovat. Materiálová recyklace plastových absorberů je problematická, možné je pouze energetické využití (spalování).

SOLPOOL (Solar Energy Use in Outdoor Swimming Pools) je mezinárodní projekt, jehož cílem je zvýšit užití solárních termálních systémů k ohřevu vody ve venkovních plaveckých bazénech. Na projektu spolupracují neziskové organizace ze sedmi zemí EU. V České republice se projektu účastní Czech RE Agency, o.p.s.

Projekt SOLPOOL je spolufinancován Evropskou komisí v rámci programu ALTENER. Výhradní zodpovědnost za obsah této publikace nese Czech RE Agency, o.p.s. Uvedené informace nemusí bezpodmínečně reprezentovat názory Evropských společenství. Evropská komise nepřebírá žádnou zodpovědnost za jakékoli užití informací výše uvedených.