Solární vytápění rodinného domu: možnosti a schémata konstrukce

Využití “zelené” energie dodávané přírodními živly umožňuje výrazně snížit náklady na energie. Například zavedením solárního vytápění rodinného domu budete dodávat prakticky bezplatné teplonosné médium nízkoteplotním radiátorům a systémům podlahového vytápění. Souhlasíte, to už je úspora.

Vše o “zelených technologiích” se dozvíte v našem článku. S naší pomocí snadno porozumíte různým typům solárních zařízení, způsobům jejich provedení a specifikům provozu. Jistě Vás zaujme jedna z oblíbených variant, které se intenzivně používají ve světě, ale u nás zatím nejsou příliš rozšířené.

V předloženém přehledu jsou rozebrány konstrukční zvláštnosti systémů, podrobně popsána schémata zapojení. Uveden je příklad výpočtu solárního topného okruhu pro posouzení reálnosti jeho výstavby. Pro pomoc kutilům přikládáme výběr fotografií a videa.

“Zelené” technologie získávání tepla

V průměru 1 m² zemského povrchu obdrží 161 W sluneční energie za hodinu. Samozřejmě, na rovníku bude tento ukazatel mnohonásobně vyšší než v polárních oblastech. Kromě toho hustota slunečního záření závisí na ročním období.

V Moskevské oblasti se intenzita slunečního záření v prosinci a lednu liší od května a července více než pětkrát. Moderní systémy jsou však natolik účinné, že dokáží pracovat prakticky všude na Zemi.

Moderní solární systémy dokáží efektivně pracovat při zatažené a chladné počasí až do -30 °C

Úkol využití energie slunečního záření s maximální účinností se řeší dvěma způsoby: přímým ohřevem v tepelných kolektorech a solárními fotovoltaickými panely. Solární panely nejprve přeměňují energii slunečních paprsků na elektřinu, poté ji předávají přes speciální systém spotřebitelům, například elektrokotli.

Tepelné kolektory se zahřívají působením slunečních paprsků a ohřívají teplonosné médium systémů vytápění a přípravy teplé vody.

Tepelné kolektory existují v několika typech, včetně otevřených a uzavřených systémů, plochých a kulových konstrukcí, polokulových koncentračních kolektorů a mnoha dalších variant. Tepelná energie získaná ze slunečních kolektorů se používá k ohřevu teplé vody nebo topného média topného systému.

Průmysl vyrábí kolektorové systémy v širokém sortimentu pro začlenění do nezávislé topné sítě. Nejjednodušší variantu pro chatu však lze snadno vyrobit svépomocí:

Navzdory zřejmému pokroku ve vývoji řešení pro sběr, akumulaci a využívání sluneční energie existují výhody a nevýhody.

Efektivní využití solární energie

Nejzřejmější výhodou využívání sluneční energie je její všeobecná dostupnost. Ve skutečnosti může být sluneční energie shromážděna a využita i v nejvíce zamračeném a oblačném počasí.

Druhou výhodou jsou nulové emise. V podstatě se jedná o nejekologičtější a nejpřirozenější druh energie. Solární panely a kolektory nevytvářejí hluk. Ve většině případů se instalují na střechy budov, aniž by zabíraly užitnou plochu příměstského pozemku.

Účinnost solárního vytápění v našich zeměpisných šířkách je poměrně nízká, což je způsobeno nedostatečným počtem slunečných dnů pro pravidelný provoz systému (+).

Nevýhody spojené s využíváním sluneční energie spočívají v nestálosti osvětlení. V temné denní době není co sbírat, situace se zhoršuje tím, že vrchol topné sezóny připadá na nejkratší světelné dny v roce. Je nutné sledovat optickou čistotu panelů, nepatrné znečištění prudce snižuje účinnost.

Kromě toho nelze říci, že provoz systému na sluneční energii je zcela zdarma, existují trvalé náklady na amortizaci zařízení, provoz oběhového čerpadla a řídicí elektroniky.

Podstatná nevýhoda vytápění založeného na použití solárních kolektorů spočívá v nemožnosti akumulovat tepelnou energii. Do schématu je zahrnuta pouze expanzní nádrž (+).

Otevřené solární kolektory

Otevřený solární kolektor představuje systém trubek nechráněný před vnějšími vlivy, kterými cirkuluje teplonosné médium ohřívané přímo sluncem.

Jako teplonosné médium se používá voda, plyn, vzduch, nemrznoucí kapalina. Trubky jsou buď připevněny na nosném panelu ve tvaru spirály, nebo připojeny paralelními řadami k výstupnímu hrdlu.

Solární kolektory otevřeného typu nejsou schopny zvládnout vytápění rodinného domu. Kvůli chybějící izolaci teplonosné médium rychle chladne. Používají se v letním období zejména pro ohřev vody ve sprchách nebo bazénech.

Otevřené kolektory obvykle nemají žádnou izolaci. Konstrukce je velmi jednoduchá, proto má nízkou cenu a často se vyrábí svépomocí.

Vzhledem k absenci izolace prakticky neuchovávají získanou energii ze slunce, vyznačují se nízkou účinností. Používají se převážně v letním období pro ohřev vody v bazénech nebo letních sprchách.

Instalují se v slunečných a teplých regionech, při malých rozdílech teplot okolního vzduchu a ohřívané vody. Dobře fungují pouze za slunečného, bezvětřího počasí.

Nejjednodušší solární kolektor s tepelným přijímačem vyrobeným ze svazku polymerových trubek zajistí dodávku ohřáté vody na chatě pro zalévání a domácí potřeby.

Trubkové typy kolektorů

Trubkové solární kolektory jsou sestaveny z jednotlivých trubic, jimiž proudí voda, plyn nebo pára. Jedná se o jednu z variant otevřených solárních systémů. Nicméně teplonosné médium je již mnohem lépe chráněno před vnějšími negativními vlivy. Zvláště ve vakuových zařízeních, která fungují na principu termosky.

Každá trubice je k systému připojena samostatně, paralelně vůči sobě. Při poruše jedné trubice ji lze snadno vyměnit za novou. Celou konstrukci lze sestavit přímo na střeše budovy, což výrazně usnadňuje montáž.

Trubkový kolektor má modulární strukturu. Hlavním prvkem je vakuová trubice, počet trubic se pohybuje od 18 do 30, což umožňuje přesně přizpůsobit výkon systému.

Významnou výhodou trubkových solárních kolektorů je válcový tvar hlavních prvků, díky kterému je sluneční záření zachycováno po celý den bez nutnosti použití drahých systémů sledujících pohyb slunce.

Speciální vícevrstvý povlak vytváří jakousi optickou past pro sluneční paprsky. Na schématu je částečně zobrazena vnější stěna vakuové baňky odrážející paprsky na stěny vnitřní baňky (+).

Podle konstrukce trubic rozlišujeme pérové a koaxiální solární kolektory.

Koaxiální trubice představuje Dewarovu nádobu neboli všem známou termosku. Je vyrobena ze dvou baněk, mezi kterými je odčerpán vzduch. Na vnitřní povrch vnitřní baňky je nanesen vysoce selektivní povlak, který účinně pohlcuje sluneční energii.

Při válcovém tvaru trubice dopadají sluneční paprsky vždy kolmo na povrch.

Tepelná energie z vnitřní selektivní vrstvy se přenáší do tepelné trubice nebo vnitřního výměníku tepla z hliníkových desek. Na tomto stupni dochází k nežádoucím tepelným ztrátám.

Pérová trubice představuje skleněný válec s vloženým pérovým absorbérem.

Svůj název systém získal od pérového absorbéru, který pevně obklopuje tepelný kanál z tepelně vodivého kovu.

Pro dobrou tepelnou izolaci je z trubice odčerpán vzduch. Přenos tepla z absorbéru probíhá beze ztrát, proto je účinnost pérových trubic vyšší.

Podle způsobu přenosu tepla existují dva systémy: přímoproudé a s tepelnou trubicí (heat pipe). Tepelná trubice představuje zatavenou nádobu s lehce odpařitelnou kapalinou.

Jelikož se snadno odpařující kapalina přirozeně stéká na dno tepelné trubice, minimální úhel sklonu činí 20 °C.

Vnitřek tepelné trubice obsahuje snadno odpařující se kapalinu, která přijímá teplo od vnitřní stěny baňky nebo od peříčkového absorbéru. Působením teploty kapalina vře a stoupá vzhůru ve formě páry. Poté, co je teplo předáno topnému médiu nebo teplé vodě, pára kondenzuje na kapalinu a stéká dolů.

Voda při nízkém tlaku se často používá jako snadno odpařující kapalina. V přímoproudém systému se používá trubka ve tvaru U, kterou cirkuluje voda nebo topné médium systému vytápění.

Jedna polovina trubky ve tvaru U je určena pro studené topné médium, druhá odvádí ohřáté. Při ohřevu se topné médium roztahuje a vstupuje do akumulační nádrže, čímž zajišťuje přirozenou cirkulaci. Stejně jako u systémů s tepelnou trubicí musí být minimální úhel sklonu alespoň 20°.

Při přímoproudém zapojení nemůže být tlak v systému vysoký, protože uvnitř baňky je technické vakuum.

Přímoproudé systémy jsou účinnější, protože okamžitě ohřívají topné médium. Pokud se systémy solárních kolektorů plánují používat celoročně, plní se do nich speciální nemrznoucí směsi.

Použití trubicových solárních kolektorů má řadu výhod a nevýhod. Konstrukce trubicového solárního kolektoru se skládá ze stejných prvků, které se relativně snadno vyměňují.

Výhody:

• nízké tepelné ztráty;
• schopnost pracovat při teplotě do -30 °C;
• efektivní výkon po celý den;
• dobrá funkčnost v oblastech s mírným a chladným klimatem;
• nízká větrnost, odůvodněná schopností trubicových systémů propouštět skrze sebe vzduchové hmoty;
• možnost výroby vysoké teploty topného média.

Konstrukčně má trubicová konstrukce omezený aperturní povrch.

Má následující nevýhody:

• není schopna samočištění od sněhu, ledu, jinovatky;
• vysoká cena.

Navzdory původně vysoké ceně se trubicové kolektory rychleji zaplatí. Mají dlouhou životnost.

Trubicové kolektory patří mezi otevřené solární systémy, proto nejsou vhodné pro celoroční použití v topných systémech (+)

Ploché uzavřené systémy

Plochý kolektor se skládá z hliníkového rámu, speciální absorpční vrstvy – absorbéru, průhledného krytu, potrubí a izolace.

Jako absorbér se používá začerněný měděný plech, který se vyznačuje ideální tepelnou vodivostí pro vytváření solárních systémů. Při pohlcování sluneční energie absorbér předává získanou sluneční energii teplonosnému médiu, které cirkuluje v systému trubek přiléhajících k absorbéru.

Z vnější strany je uzavřený panel chráněn průhledným krytem. Je vyroben z nárazuvzdorného tvrzeného skla s propustností v pásmu 0,4–1,8 µm. Na toto pásmo připadá maximum slunečního záření. Nárazuvzdorné sklo poskytuje dobrou ochranu proti krupobití. Ze zadní strany je celý panel spolehlivě izolován.

Ploché solární kolektory se vyznačují maximální účinností a jednoduchou konstrukcí. Jejich účinnost je zvýšena díky použití absorbéru. Jsou schopny zachytit rozptýlené i přímé sluneční záření.

V seznamu výhod uzavřených plochých panelů figurují:

• jednoduchost konstrukce;
• dobrá účinnost v regionech s teplým podnebím;
• možnost instalace pod libovolným úhlem při použití zařízení pro změnu sklonu;
• schopnost samočištění od sněhu a námrazy;
• nízká cena.

Ploché solární kolektory jsou zvláště výhodné, pokud je jejich použití plánováno již ve fázi projektování. Životnost kvalitních výrobků činí 50 let.

K nedostatkům lze zařadit:

• vysoké tepelné ztráty;
• velká hmotnost;
• vysoká větrná náročnost při umístění panelů pod úhlem k horizontu;
• omezení výkonu při teplotních rozdílech větších než 40 °C.

Oblast použití uzavřených kolektorů je podstatně širší než u solárních zařízení otevřeného typu. V létě jsou schopny plně uspokojit potřebu teplé vody. V chladných dnech, které nejsou zahrnuty do topného období, mohou pracovat místo plynových a elektrických ohřívačů.

Těm, kteří si chtějí vyrobit solární kolektor vlastníma rukama pro zařízení vytápění na chatě, doporučujeme seznámit se s praxí ověřenými schématy a podrobnými návody k sestavení.

Srovnání charakteristik solárních kolektorů

Nejdůležitějším ukazatelem solárního kolektoru je účinnost. Užitečný výkon solárních kolektorů různých konstrukcí závisí na teplotním rozdílu. Ploché kolektory jsou přitom výrazně levnější než trubicové.

Hodnoty účinnosti závisí na kvalitě výroby solárního kolektoru. Cílem grafu je ukázat efektivitu použití různých systémů v závislosti na teplotním rozdílu.

Při výběru solárního kolektoru je vhodné věnovat pozornost řadě parametrů, které ukazují účinnost a výkon zařízení.

Pro solární kolektory existuje několik důležitých charakteristik:

• absorpční koeficient – udává poměr absorbované energie k celkové;
• emissní koeficient – udává poměr předané energie k pohlcené;
• celková a aperturní plocha;
• Účinnost.

Aperturní plocha je pracovní plocha solárního kolektoru. U plochého kolektoru je aperturní plocha maximální. Aperturní plocha je rovna ploše absorbéru.

Způsoby připojení k topnému systému

Jelikož zařízení na solární energii nemohou zajistit stabilní a nepřetržité dodávky energie, je nutný systém odolný vůči těmto nedostatkům.

Pro střední pásmo Ruska nemohou solární zařízení zaručit stabilní přísun energie, proto se používají jako doplňkový systém. Integrace do stávajícího topného systému a systému teplé vody se liší pro solární kolektor a solární panel.

Schéma s vodním kolektorem

V závislosti na účelu použití tepelného kolektoru se používají různé systémy připojení. Možností může být několik:

1. Letní varianta pro ohřev teplé vody
2. Zimní varianta pro vytápění a ohřev teplé vody

Letní varianta je nejjednodušší a může se obejít i bez cirkulačního čerpadla, využívající přirozenou cirkulaci vody.

Voda se ohřívá v solárním kolektoru a díky tepelné roztažnosti vstupuje do akumulační nádrže nebo boileru. Přitom dochází k přirozené cirkulaci: na místo horké vody z nádrže je nasávána studená.

V zimě při záporných teplotách není přímý ohřev vody možný. Uzavřeným okruhem cirkuluje speciální nemrznoucí kapalina, zajišťující přenos tepla z kolektoru do výměníku v nádrži.

Jako každý systém založený na přirozené cirkulaci pracuje nepříliš efektivně a vyžaduje dodržení potřebných spádů. Kromě toho musí být akumulační nádrž výše než solární kolektor. Aby voda zůstala co nejdéle horká, je nutné nádrž pečlivě izolovat.

Pokud chcete skutečně dosáhnout maximálně efektivního provozu solárního kolektoru, schéma připojení se zkomplikuje.

Aby se kolektor v noci neproměnil v chladicí radiátor, je nutné cirkulaci vody násilně zastavit.

Systémem solárního kolektoru cirkuluje nemrznoucí teplonosné médium. Nucenou cirkulaci zajišťuje čerpadlo řízené regulátorem.

Regulátor řídí činnost cirkulačního čerpadla na základě údajů alespoň dvou teplotních čidel. První čidlo měří teplotu v akumulační nádrži, druhé – na potrubí přívodu horkého teplonosného média solárního kolektoru.

Jakmile teplota v nádrži překročí teplotu teplonosné látky, v kolektoru regulátor vypne oběhové čerpadlo, čímž zastaví cirkulaci teplonosné látky v systému. Naopak při poklesu teploty v akumulační nádrži pod nastavenou hodnotu se zapne topný kotel.

Novým slovem a účinnou alternativou k solárním kolektorům s teplonosnou látkou se staly systémy s vakuovými trubicemi, s jejichž principem činnosti a uspořádáním vám nabízíme seznámit se.

Schéma se solárním panelem

Bylo by lákavé použít podobné schéma zapojení solárního panelu k elektrické síti, jak je to realizováno v případě solárního kolektoru, akumulováním energie získané během dne. Bohužel pro systém zásobování elektřinou rodinného domu je vytvoření bloku akumulátorů dostatečné kapacity velmi drahé. Proto schéma zapojení vypadá následovně.

Při poklesu výkonu elektrického proudu ze solárního panelu zajišťuje jednotka ATS (automatické přepínání rezervy) připojení spotřebičů k veřejné elektrické síti.

Ze solárních panelů přichází náboj do regulátoru nabíjení, který plní několik funkcí: zajišťuje trvalé dobíjení akumulátorů a stabilizuje napětí. Dále elektrický proud putuje do střídače, kde dochází k přeměně stejnosměrného proudu 12V nebo 24V na střídavý jednofázový proud 220V.

Bohužel, naše elektrické sítě nejsou uzpůsobeny pro přijímání energie, mohou pracovat pouze v jednom směru od zdroje ke spotřebiteli. Z tohoto důvodu nebudete moci prodávat vyrobenou elektřinu nebo alespoň přimět elektroměr, aby se točil opačným směrem.

Používání solárních panelů je výhodné tím, že poskytují univerzálnější formu energie, ale přitom se nemohou srovnávat v účinnosti se solárními kolektory. Posledně jmenované však nemají možnost akumulovat energii na rozdíl od solárních fotovoltaických panelů.

Příklad výpočtu potřebného výkonu

Při výpočtu potřebného výkonu solárního kolektoru se velmi často chybně provádějí výpočty na základě dopadající sluneční energie v nejchladnějších měsících roku.

Problém spočívá v tom, že v ostatních měsících roku se bude celý systém neustále přehřívat. Teplota teplonosné látky na výstupu ze solárního kolektoru může v létě dosáhnout 200 °C při ohřevu páry nebo plynu, 120 °C u nemrznoucí směsi, 150 °C u vody. Pokud teplonosná látka vře, částečně se odpaří. V důsledku toho bude nutné ji vyměnit.

Výrobci doporučují vycházet z následujících údajů:

• zajištění dodávky teplé vody maximálně ze 70 %;
• zajištění topného systému maximálně z 30 %.

Zbývající potřebné teplo musí vyrábět standardní topné zařízení. Nicméně při těchto ukazatelích se ročně ušetří v průměru asi 40 % na vytápění a dodávce teplé vody.

Výkon generovaný jednou trubicí vakuového systému závisí na zeměpisné poloze. Ukazatel sluneční energie dopadající za rok na 1 m² země se nazývá insolace.

Když známe délku a průměr trubice, můžeme vypočítat aperturu – efektivní plochu absorpce. Zbývá použít koeficienty absorpce a emise pro výpočet výkonu jedné trubice za rok.

Příklad výpočtu:

Standardní délka trubice je 1800 mm, efektivní – 1600 mm. Průměr 58 mm. Apertura – zastíněná plocha vytvořená trubicí. Plocha obdélníku stínu tedy bude:

S = 1,6 * 0,058 = 0,0928 m²

Účinnost průměrné trubice je 80 %, sluneční insolace pro Moskvu činí asi 1170 kWh/m² za rok. Jedna trubice tedy ročně vyrobí:

W = 0,0928 * 1170 * 0,8 = 86,86 kWh

Je třeba poznamenat, že se jedná o velmi přibližný výpočet. Množství vyrobené energie závisí na orientaci zařízení, úhlu, průměrné roční teplotě atd.

Se všemi druhy alternativních zdrojů energie a způsoby jejich použití se můžete seznámit v uvedeném článku.

Závěry a užitečné video k tématu

Video #1. Ukázka činnosti solárního kolektoru v zimním období:

Video #2. Srovnání různých modelů solárních kolektorů:

Během celé své existence lidstvo každým rokem spotřebovává stále více energie. Pokusy využít bezplatné sluneční záření byly podnikány již dávno, ale teprve v poslední době je možné efektivně využívat slunce v našich zeměpisných šířkách. Není pochyb o tom, že budoucnost patří solárním systémům.

Chcete se podělit o zajímavé zvláštnosti při organizaci solárního vytápění venkovského domu nebo chaty? Napište prosím komentáře do níže uvedeného bloku. Zde můžete také položit dotaz, zanechat fotografii demonstrující proces montáže systému nebo se podělit o užitečné informace.