Teplo bez faktur

Slunce je základní podmínkou života na zemi. Dodává nám vnitřní sílu, ale i radost ze sluncem prozářených dnů. V posledních letech se k výrobě tepla stále intenzivněji využívá sluneční energie jako obnovitelný zdroj energie. K nejčastějším způsobům využití patří sluneční termické kolektory.

Různé kolektory slouží k různým účelům. Dané podmínky a způsob využití určují, jaký typ je třeba zvolit. Pro sezonní ohřev vody pro venkovní bazény je vhodný nekrytý plastový absorbér nebo plochý neselektivní kolektor. Ploché neselektivní kolektory je v našich klimatických podmínkách možno využít i k letnímu ohřevu pitné vody (OPV).

K celoročnímu OPV, pro kombinované systémy s ohřevem vody pro venkovní bazény a na podporu vytápění jsou zapotřebí ploché selektivní kolektory. Pro interiérové bazény, na podporu vytápění v energeticky úsporných domech a na výrobu technologického tepla jsou vhodné vakuové kolektory (ploché, trubicové).

Jak si vybrat
Sluneční kolektory se vyskytují v nejrůznějších konstrukčních obměnách a dělí se podle různých kritérií. Máme-li si vybrat ten správný, je třeba důkladně promyslet, v jakém prostředí bude umístěn. Základním kritériem pro výběr je oblast použití a vnější teplota. Uvádíme zde základní typy běžně používaných kolektorů.
Nekrytý kolektor (nejčastěji plastový absorbér) se používá na nevelké zvýšení teploty. Je vhodný zejména pro sezonní ohřev vody v exteriérových bazénech. V zemích s vysokou intenzitou slunečního záření, například v Řecku, Egyptě či na Kypru, je využíván především plochý neselektivní kolektor s jednoduchým zasklením.

S klesající vnější teplotou se jeho účinnost rychle snižuje, proto je v našich podmínkách použitelný hlavně pro sezonní OPV a ohřev vody v bazénech v letním období. V našich klimatických podmínkách se nejčastěji používá plochý selektivní kolektor s jednoduchým zasklením. Aplikuje se nejen v systémech na přípravu teplé vody či ohřev bazénové vody, ale i na podporu vytápění. Roční energetický zisk v systémech na přípravu teplé vody se pohybuje většinou na úrovni 500 kWh/m². Pro celoroční ohřev vody interiérového bazénu je nejvhodnější plochý vakuový kolektor, jehož velkou předností je, že v sobě kombinuje přednosti plochých kolektorů a vakua jako tepelné izolace. Je vhodný hlavně tam, kde je třeba dosahovat vysoké pracovní teploty při nepříznivých meteorologických podmínkách, ale vhodný je též na podporu vytápění a technologické účely.

Trubicový vakuový kolektor má díky hlubokému vakuu, které tvoří tepelnou izolaci absorpční plochy ve skleněné trubici, nejplošší křivku účinnosti. V důsledku zakřivení trubice má sice menší optickou účinnost, ale při zvyšujícím se rozdílu mezi teplotou absorbéru a okolního vzduchu klesá jeho účinnost nejpomaleji. Nevýhodou je výrazně vyšší cena za jednotku získaného tepla. Ta je částečně kompenzována vyššími užitnými vlastnostmi a dlouholetou stabilitou parametrů. Právě vakuum zabezpečuje ochranu absorbéru před negativními vlivy okolního prostředí. V evropských podmínkách tvoří trubicové vakuové kolektory přibližně 10 % z celkové instalované plochy. Jejich největším světovým výrobcem je Čína, kde tvoří až 80 % všech instalací.

Podmínky instalace
K tomu, aby se splnila vaše očekávání jako investora, je třeba kromě vhodně zvolené solární techniky zohlednit a splnit i některé obecné nebo specifické předpoklady a podmínky její instalace a provozu. Jednou z nich je i instalace kolektorů na místa, která nejsou zastíněna okolní zástavbou, vegetací nebo přírodními překážkami. Nejvhodnější je orientace solárních kolektorů na jih, přičemž například odklon 30° na západ nebo východ sníží roční energetický zisk jen přibližně o 5 %. Sklon kolektorů vůči horizontální rovině se volí v rozpětí 30 až 60°, při menším úhlu se zvyšuje letní výkon a při větším zase zimní zisk (nutno však mít na paměti, že v zimním půlroce dopadne na kolektory asi jen čtvrtina celoročního přísunu sluneční radiace).

V našich klimatických podmínkách jsou jednoznačně vhodnější systémy s nucenou cirkulací teplonosné kapaliny nacházející se v kolektorech, protože jejich roční energetický zisk je oproti gravitačním systémům o 20 až 25 % vyšší. Teplonosná kapalina musí odolávat teplotám až do –30 °C a nesmí agresivně působit na prvky primárního okruhu. Z ekonomického hlediska je výhodnější plochu kolektorů mírně poddimenzovat, protože kromě nich je většinou využíván i další zdroj energie sloužící k dohřevu. Praxí ověřená fyzická životnost kovových kolektorů je 25 až 30 let a tomu by měla odpovídat i životnost střechy či jiného podkladu, na který jsou kolektory upevněny. Instalace solárního systému je nejjednodušší a nejlevnější tehdy, když se s ní počítá již v projektu stavby nebo když se během výstavby udělá alespoň základní příprava na její případnou dodatečnou realizaci.

Pravidla používání kolektorů
Solární kolektory jsou u nás nejčastěji využívány na přípravu teplé vody, ohřev bazénové vody a jako doplňkový zdroj na podporu vytápění. Na přípravu teplé vody je třeba používat speciální solární vertikální bojlery s výrazně větší teplosměnnou plochou. V rodinných domech musíme počítat s plochou 1,2 až 1,5 m² kolektorové plochy na jednoho obyvatele, přičemž na 1 m²  kolektoru připadá 50 až 60 l objemu bojleru. Ekonomické optimum při krytí ročních energetických potřeb na OPV je 55 až 60 %. Z hlediska účinnosti a celkového zisku je optimální nastavit požadovanou teplotu OPV na 50 až 55 °C.

Určité normy a pravidla je třeba dodržovat i při ohřevu bazénové vody. Na ohřev vody pro venkovní bazény je zapotřebí instalovat kolektory s plochou rovnající se 40 až 60 % plochy bazénu. V případě interiérových bazénů bez přímého dopadu slunečních paprsků se plocha kolektorů rovná 80 až 100 % plochy hladiny, protože tyto bazény nemají přímé zisky a všechnu energii je jim třeba dodat ohřevem. Bazény pod transparentními kryty fungují jako kolektory a v letním období musí být naopak chlazeny. Proto je použití slunečních kolektorů v daném případě problematické.

V zájmu spolehlivosti a úspory elektrické energie je žádoucí vybudovat samostatný cirkulační okruh bazénové vody přes solární výměník se samostatným čerpadlem. V době, kdy jsou v činnosti kolektory, je potřeba zabezpečit, aby nebyl povolen případný dohřev z jiného zdroje (kotel ústředního vytápění, elektrická energie). Bazénová voda může být přímo přečerpávána jen přes plastové absorbéry, v případě kovových kolektorů je nutná instalace vhodného (protiproudového) výměníku. Potřebnou kolektorovou plochu lze snížit o 20 až 30 % důsledným používáním překrytí hladiny bazénu v době, kdy je mimo provoz.

Na solární podporu vytápění jsou vhodné jen objekty s velmi dobrými tepelněizolačními parametry a nízkoteplotním otopným systémem (stěnové, podlahové, teplovzdušné nebo výrazně předimenzované konvekční vytápění). Nejjednodušším a nejlevnějším řešením je předehřev před jejím zpětným vstupem do kotle nebo rozdělovače. Aby byl přínos kolektorů pro ústřední vytápění dostatečný, nestačí tři až čtyři kolektory, je jich zapotřebí mnohem víc. To s sebou přináší problém racionálního využití letních tepelných zisků – smysluplným řešením je například kombinace s letním ohřevem vody venkovního bazénu. Pro tyto systémy je vhodný větší úhel sklonu kolektorů, například 60°. V rekreačních objektech se sporadickým využíváním je možno napojit otopný systém přímo na kolektory bez výměníku. V posledních letech se prosazují schémata zapojení s centrálním zásobníkem tepla dostatečného objemu, do něhož vstupují kromě kolektorů i další zdroje tepla a jsou z něj napájeny všechny spotřebiče.

Místo instalace
V závislosti na účelu využití a s ním souvisejícím typu a počtu slunečních kolektorů je třeba obvykle řešit i otázku jejich vhodného umístění. U něj je nutno zohlednit dva aspekty – technologický a architektonický. Obecně se dá říci, že technicky je možno upevnit kolektory téměř na všechny druhy sedlových, pultových, valbových či plochých střech s různými krytinami. Kromě střechy, která je většinou nejvhodnějším místem  na umístění kolektorů, je lze upevnit na fasádu, balkon, přístřešek parkovacího prostoru, na ploty, vhodně orientované svahy nebo i na rovný terén. V případě vícepodlažních panelových domů se kromě umístění na rovnou střechu nabízí i možnost svislého upevnění na jižní fasádu. Při takovém řešení se sice získá méně tepla v létě, ale tím lepší jsou podmínky v zimním půlroce. Upevnění kolektorů na fasádu je vhodné i při ploše střechy nedostatečné na umístění potřebného počtu kolektorů u více než čtyřpodlažních obytných budov.

Ve srovnání s pálenou a betonovou střešní krytinou je hmotnost kolektorů připadající na 1 m² menší. Ani v případě lehkých střešních krytin není hmotnost kolektorů zásadní komplikací, protože je stále výrazně nižší než výpočtová zátěž od sněhu. Důležitější je otázka fixace kolektorů proti účinkům větru, zvláště při instalaci na rovných střechách a rovném terénu. V závislosti na výšce kolektorů nad terénem může jít o stovky kilogramů zátěže.

Finance – investice – náklady
Cena samotných kolektorů není obvykle tou největší položkou. Hlavně v případě menších solárních zařízení na přípravu teplé vody tvoří cena kolektorů 30 až 40 % z celkové ceny zařízení na klíč. Majitel rodinného domu, ve kterém bydlí čtyř-  až pětičlenná rodina, by si měl na tento účel vyčlenit přibližně něco přes 100 000 korun. Čím je systém větší, tím jsou nižší měrné investiční náklady na jednotku získaného tepla. Roční provozní náklady tvoří méně než 0,5 % investičních nákladů a zahrnují náklady na elektrickou energii na pohon čerpadel, revize, výměnu teplonosné kapaliny a běžnou údržbu. Mimořádně příznivých ekonomických ukazatelů dosahují solární systémy na ohřev bazénové vody.

Ekonomické hodnocení vždy závisí na druhu energie, kterou kolektory nahradíme, na účelu použití a na požadovaných parametrech. Obecně se dá očekávat návratnost vložených prostředků v případě malých solárních zařízení na přípravu teplé vody v rodinných domech v průběhu osmi až deseti let. Při ohřevu bazénové vody je tato doba výrazně kratší. Návratnost, a tím i ekonomickou zajímavost solárních systémů může ovlivňovat stát svou dotační a daňovou politikou. V tomto ohledu i Čechy zatím značně zaostává za většinou zemí Evropské unie.

Ekologické aspekty využití slunečních kolektorů
Náhradou fosilních paliv a aktivním využitím sluneční energie se redukují zejména emise CO₂, který se podstatnou měrou podílí na globálním oteplování. V současnosti jsou jeho emise 30 miliard tun za rok (z toho 75 % v důsledku spalování uhlí, ropy a zemního plynu a 20 % z lesních požárů). Ještě v roce 1900 se z energetické činnosti lidstva dostávalo do ovzduší jen 2 miliardy tun CO₂ za rok. Od roku 1990 se zvýšila průměrná globální teplota o 0,7 °C, následkem čehož stouply hladiny moří o 10 až 25 cm. K odvrácení tohoto nepříznivého vývoje je třeba zabezpečit snížení emisí CO₂ tak, aby nárůst teploty při maximální rychlosti 0,2 °C za deset let nepřevýšil 2 °C.

V současnosti můžeme k dosažení tohoto cíle využít nahrazení fosilních paliv obnovitelnými zdroji energie, zvyšování energetické účinnosti a dlouhodobé uskladnění CO₂ do vhodných geologických formací. Právě při realizaci první možnosti sehrávají významnou roli sluneční kolektory. Kolektor s plochou přibližně 2 m² vyrobí v našich podmínkách asi 1 000 kWh tepelné energie. Ve srovnání se spalováním hnědého uhlí se sníží emise škodlivin do ovzduší o tyto orientační hodnoty: CO₂ – 400 kg, SO₂ – 10 kg, NO_x – 0,07 kg, C_xH_x – 1,2 kg, prach – 1,2 kg.

Energetika a kolektory
Dosud byla sluneční energetika ve srovnání s fosilními palivy znevýhodňována vyššími investičními náklady na jednotku instalovaného výkonu. Situace se však postupně mění, cena fosilních paliv stále stoupá. Už v dohledné době se energie získaná z obnovitelného zdroje stane výhodnější.

Potenciál sluneční energetiky je obrovský a na její aktivní využívání kladou velký důraz hlavně orgány Evropské unie. Podle oficiálních dokumentů se do roku 2015 očekává v Evropě nárůst ze současných přibližně 15 mil. m² kolektorové plochy na 100 mil. m².

Podle kvalifikovaných odhadů je v současnosti v provozu více než 60 000 m² slunečních termických kolektorů. V přepočtu na tisíc obyvatel výrazně zaostáváme za evropskými lídry, jako jsou například Rakousko nebo Řecko s více než 300 m² na tisíc obyvatel.

Ing. Ján Tomčiak
Foto: Thermo | solar, Viessmann