Cesty k účinnému využití obnovitelných zdrojů energie

Optimální využívání solární energie k přitápění rozhodujícím způsobem ovlivňuje řešení automatické regulace. Příspěvek je věnován optimalizaci řešení regulace u soustav se solárním přitápěním, dále kombinacím soustav s různými obnovitelnými zdroji a variantě s vodárnou.

Kromě solárních soustav pro ohřívání vody se stále častěji prosazují i soustavy určené k podpoře vytápění. Tyto soustavy, s moderními akumulačními zásobníky otopné vody - případně kombinovanými zásobníky a s přídavnými zdroji obnovitelné energie jako jsou třeba kamna na spalování pelet, mohou k vytápění nejen účinně přispívat, ale také fosilní paliva v nezanedbatelné míře i nahradit.

Větší nároky na projektování a montáž

Obr. 1. Inteligentní využívání solárního přitápění znamená, že soustava pak představuje mnohem víc, než pouhý výčet prvků z nichž se skládá

K optimálnímu využití solární energie pro přitápění slouží nízkoteplotní otopné plochy - např. podlahové vytápění nebo otopná tělesa, vhodná pro nízké teploty otopné vody. Je tomu tak proto, že solární soustava může zajistit dodávku tepla jen tehdy, když je teplota vody ve zpětném potrubí z otopné soustavy nižší než v akumulačním zásobníku. K solárnímu přitápění jsou zvláště předurčeny i soustavy s kondenzačními zdroji tepla, u nichž se nízké teploty také vyskytují. Plocha kolektorů 10 až 15 m² přitom může pokrýt asi 20 až 25 % z celkové roční potřeby energie na vytápění a přípravu teplé vody v rodinném domku.

Na rozdíl od soustav pro ohřívání vody jsou však solární soustavy určené k přitápění náročnější na projektování a montáž. Pro zajištění 50 až 60 % pokrytí spotřeby energie na ohřívání vody u rodinného domku pro 1 až 2 rodiny je nutné instalovat 1 až 1,5 m² plochy kolektoru na osobu. Objem akumulačního zásobníku vody se rovněž zjistí snadno a rychle - požaduje se objem asi 50 litrů/m² plochy kolektoru. U větších objektů se stanoví celková plocha kolektorů v závislosti na potřebě vody podle tabulek výrobce.

Dimenzování solární soustavy určené navíc k podpoře vytápění je kromě toho, co bylo uvedeno o přípravě teplé vody, závislé ještě na dalších faktorech. Svoji roli přitom hraje v první řadě teplota otopné vody a potřeba tepla pro budovu. Např. u rodinného domu se 4 osobami a teplotami otopné vody 40/30 °C můžeme počet kolektorů přibližně stanovit pomocí diagramu na obr. 2, v závislosti na požadovaném energetickém pokrytí a maximální potřebě tepla budovy.

Obr. 2. Přibližné stanovení počtu kolektorů u solární soustavy pro přitápění, v závislosti
na požadovaném energetickém pokrytí a nejvyšší potřebě tepla pro budovu

Zásobníky a možnosti jejich uplatnění

V solární soustavě připadá důležitá role zásobníkům vody. U soustav pro ohřev vody a přitápění se běžně vyskytují především kombinované zásobníky, zdvojené (bivalentní) zásobníky a aku- zásobník tepla v kombinaci s vodárnou (obr. 3). Kombi-zásobník je jednoduché řešení, úsporné na plochu. Poměr objemů zásobníku na teplou vodu a aku-zásobníku tepla pro vytápění je ovlivňován jejich konstrukčním řešením. U rodinného domku se obvykle vyskytují např. 750 l / kombi-zásobník se 4 či 5 solárními kolektory nebo 1000 l / kombizásobník se 6 kolektory. K akumulaci solárního tepla pro vytápění by měl připadat objem aku-zásobníku nejméně 50 l na každý 1 m2 plochy kolektoru.

Obr. 3. Možnosti použití zásobníků u solárních soustav pro ohřívání vody a přitápění

Kombi-zásobníky v podstatě umožňují i připojování kotlů na pevná paliva. Objem pro akumulaci tepla pro vytápění však často není u kombi-zásobníků dostatečný. Proto se často používají zásobníky bivalentní - současně na ohřívání teplé vody i pro akumulaci tepla do otopné vody, jejichž velikosti lze libovolně kombinovat. Solární soustavy pak většinou nabíjejí přednostně zásobník s otopnou vodou.

Další variantou je aku-zásobník v kombinaci s vodárnou. I zde je možné objem pro akumulaci tepla volit individuálně. Solární kolektory ohřívají aku-zásobník a ohřev vody se uskutečňuje nepřímo - pomocí deskového výměníku tepla. Zařízení pro ohřev vody je zde jednak poměrně málo náročné na plochu, jednak lépe zajišťuje dodávku čerstvé vody v souladu s požadavky na hygienu.

Integrované regulátory

Obr. 4. Schéma solární soustavy pro ohřívání vody a přitápění, v kombinaci s vodárnou

Celistvost solárních zařízení pro ohřev vody a přitápění však není dána pouze zásobníky, přispívá k ní i regulační technika. Lze doporučit integrované regulátory pro otopné a solární soustavy - potřebu energie je s jejich přispěním možné pokrýt optimálně ze zdrojů, které jsou vždy právě k dispozici. Má-li převahu solární energie, klesá výrazně spotřeba paliva. Když solární energie dodávku tepla pokrýt nestačí, uvede se do provozu fosilní zdroj. V solární soustavě pro přitápění je pak proudění vody - buď do kotle nebo přes zásobník - ovládáno třícestným ventilem, v závislosti na teplotě vody v zásobníku. U solární soustavy pro ohřívání vody a přitápění v kombinaci s vodárnou (obr. 4) dochází k nabíjení aku-zásobníku v závislosti na rozdílu teplot mezi solárním kolektorem (FSK) a dolní teplotou v zásobníku (FSS). Dokud je střední teplota v zásobníku (FP) vyšší než teplota ve zpětném potrubí z otopné soustavy (FR), je tato zpětná voda vedena do aku-zásobníku a je tedy ohřívána solární soustavou. Případné dohřívání vody na požadovanou vstupní teplotu do otopné soustavy pak zajišťuje kotel, vřazený do okruhu. Každý otopný okruh je vybaven třícestným ventilem. Také voda (čerstvá) je dohřívána pomocí konvenčního kotle až tehdy, když horní teplota v zásobníku (FB) klesne pod nastavenou hodnotu.

"Inteligentní" systémová regulační technika

Obr. 6. Schéma zapojení při sériovém provozu soustavy s obtokem aku-zásobníku

Ještě důležitělší roli hraje inteligentní regulační systém, zvláště využívá-li soustava kromě solární energie ještě teplo z dalších obnovitelných zdrojů, jako např. ze spalování pelet, ze sekaného dříví, z okolního prostředí nebo z blokové teplárny. Aby ovšem bylo možné dosahovat požadovaných úspor, měly by být všechny tyto uvažované zdroje včas zahrnuty do projektu budovy. Každá z obnovitelných energií má totiž nějakou svoji charakteristickou vlastnost: např. slunce svítí jen během dne, dřevo dodává teplo jen při spalování a tepelná čerpadla nebo blokové teplárny vyžadují dlouhé provozní doby. Z těchto důvodů je nutné zajistit jejich optimální kombinaci, doplněnou vřazenou akumulací tepla. Teprve "inteligentní" regulační systém je schopen celý provoz koordinovat a umožnit dodávku tepla podle potřeby. Přednost má většinou využívání sluneční energie.

Obr. 5. Vhodné funkční moduly, jako je například FM444, podporují optimální využití obnovitelných zdrojů tepla v otopném systému

Kombinace různých zdrojů energie se solární soustavou umožňuje vytvářet nejrůznější varianty otopného systému. Odpovídajícím způsobem pak ovšem musí být variabilní také použitý - nejlépe modulární - regulační systém. Pro případ, že by se někdy v budoucnu měnilo uspořádání otopné soustavy, musí být dostupné i moduly vhodné pro rekonstrukci nebo doplnění regulace. Např. regulátor Logamatic 4000 (Buderus) sleduje provozní stavy a vztažné teploty v celé soustavě. Pomocí snímačů měří provozní teploty a reguluje podle okamžité potřeby nejen provoz kotle, nýbrž pomocí modulu "Alternativní zdroje a inteligentní řízení provozu zásobníků" řídí provoz aku-zásobníku a obnovitelných zdrojů, připojených k otopné soustavě. Obnovitelné zdroje mají přitom přednost a delší provozní doby. Aby se start konvenčního kotle co nejvíce oddálil, je zapojen až jako druhotný zdroj. Kromě toho přebírá regulátor funkci rozdělování tepla. Oba systémy pracují plně automaticky a jsou spolu sladěny (obr. 5). Inteligentní řízení aku-zásobníku je schopné posoudit, zda je zásobník dostatečně nabitý a případně vyloučí zbytečný start kotle. Jednotlivé zdroje tepla jsou zapojovány a odpojovány v závislosti na teplotě v aku-zásobníku. Hydraulické zapojení aku-zásobníku lze volit podle následujících tří variant:

• sériové zapojení kotle, obnovitelného zdroje tepla a aku-zásobníku
• alternativní zapojení mezi kotlem, obnovitelným zdrojem tepla - případně aku-zásobníkem
• střídavé zapojení obnovitelných zdrojů tepla a kotle k aku-zásobníku.

Sériový provoz - jednotlivé prvky jsou hydraulicky zapojeny za sebou

U sériového zapojení kotle, obnovitelného zdroje tepla a aku-zásobníku jsou aku-zásobník nabíjený z obnovitelného zdroje i kotel hydraulicky zapojeny za sebou. Teplo potřebné pro budovu kryjí oba zdroje společně. Přednost zapojení: teplota v aku-zásobníku může poklesnout až na vztažnou hodnotu stanovenou pro zpětné potrubí ze soustavy a obnovitelný zdroj tepla případně aku-zásobník - pak mohou dodávat teplo do otopné soustavy nepřerušovaně. Takové zapojení může obsahovat i kombi-zásobník.

Odpovídající regulační modul je k řízení provozu aku-zásobníku vybaven funkcí "Obtok aku-zásobníku" (obr. 6). Modul porovnává teplotu ve zpětném potrubí z otopné soustavy (FAR) s teplotou v aku-zásobníku (FPO). V závislosti na rozdílu těchto teplot pak modul ovládá přestavný třícestný ventil (SWE) mezi aku-zásobníkem a obtokem. Při nedostatku tepla následuje proudění vody do kotle. Po dostatečném ohřátí vody pak trojcestný ventil usměrňuje celkový průtok vody z otopné soustavy do aku-zásobníku nebo do obtoku.

Tento způsob zapojení se doporučuje pro obnovitelné zdroje tepla, pokrývající pouze základní část celkových tepelných ztrát, kde zatížení ve špičkách přebírá kotel. Teplota v aku-zásobníku může u tohoto zapojení poklesnout až na teplotu zpětné vody ze soustavy; obnovitelný zdroj tepla nebo aku-zásobník mohou do soustavy dodávat energii nepřetržitě.

Alternativní provoz - buď jeden zdroj nebo druhý

Obr. 7. Schéma zapojení při alternativním provozu soustavy

Jestliže jsou obnovitelný zdroj tepla a aku-zásobník připojeny ke kotli alternativním způsobem, není současný provoz obou zdrojů tepla možný. Při projektování je však třeba dbát, aby každý z těchto zdrojů byl schopen pokrýt celou potřebu tepla budovy. Teplota požadovaná pro aku-zásobník se odvozuje z teplot požadovaných u spotřebičů, jako jsou otopné okruhy a zařízení k ohřívání vody. Volí se pak nejvyšší z nich. Přednost tohoto zapojení: voda protéká kotlem jen v případě potřeby. Toto zapojení se doporučuje použít, když má být vytápění zajištěno pouze z obnovitelného zdroje.

Alternativní regulace (obr. 7) porovnává teplotu požadovanou pro otopnou soustavu s teplotou v aku-zásobníku (FPO) a přestavuje třícestný ventil (SWE) mezi zásobníkem a kotlem. Je-li teplota v aku-zásobníku dostatečná, zůstává kotel mimo provoz a voda jím neprotéká. Klesne-li teplota v aku-zásobníku pod požadavek otopné soustavy, ventil se přestaví a kotel se uvede do provozu. Alternativní zdroj však přitom aku-zásobník dále nabíjí. Jakmile je opět teplota v aku-zásobníku pro vytápění dostatečná, ventil se znovu přestaví. Vztažná teplota vody v aku-zásobníku se nastavuje podle otopné soustavy a dynamicky se řídí podle požadovaných vztažných teplot u spotřebičů (otopných okruhů) a u zařízení k ohřívání vody.

Střídavý provoz - objemové průtoky je třeba projektovat přesně

Další možností je zapojení obou zdrojů tepla k aku-zásobníku (obr. 8). Akuzásobník je střídavě nabíjen kotlem, který se uvádí do provozu, když teplota v horní části zásobníku (FPO) klesne pod hodnotu požadovanou u spotřebičů. Kotel se vyřadí z provozu, jakmile teplota v dolní části aku-zásobníku (FPU) dosáhne hodnoty, požadované soustavou. Doba provozu kotle a doba jeho odstavení vyplývají z energetického obsahu aku-zásobníku - jehož vztažná (požadovaná) teplota je dána požadavky otopných okruhů a zásobníků teplé vody. Všechny spotřebiče jsou zásobovány teplem z aku-zásobníku. Vztažná teplota soustavy je také zde volena jako nejvyšší z teplotních požadavků spotřebičů soustavy.

Obr. 8. Schéma zapojení při střídavém provozu soustavy

Aby byla soustava funkční, tak je nutné při projektování hydraulického zapojení se střídavým provozem zásobníku (obr. 8) zajistit vyvážení objemových průtoků, protože aku-zásobník a spotřebiče jsou zapojeny paralelně. Objemový průtok vody soustavou - tj. z potrubní sítě a spotřebičů, smí při projektování odpovídat nejvýše objemovému průtoku kotlem.

Předností střídavého zapojení je, že konvenční kotel je v provozu méně často. Díky přídavnému objemu otopné vody v aku-zásobníku vycházejí doba provozu kotle i doba jeho vyřazení z provozu delší. Kotel na olej či plyn ovšem vždy nabíjí aku-zásobník při svém plném výkonu.

Použití konvenčního zdroje tepla pro "střídavě nabíjený aku-zásobník" se doporučuje u otopných soustav, kde je velký rozdíl mezi výkony potřebnými pro vytápění a pro ohřívání vody. Nejnižší výkony pro vytápění jsou pokrývány teplem z aku-zásobníku. Teprve když tato energie nestačí, dobíjí se aku-zásobník pomocí kotle na olej nebo na plyn.

U solární tepelné soustavy je možné kombinovat téměř všechny naše požadavky na provoz s prvky tepelně-technických soustav, dostupnými na trhu. Aby se však solární teplo mohlo využívat energeticky úsporně a současně šetrně k životnímu prostředí, musí být otopná soustava vždy propojena s dalšími zdroji tepla účelným způsobem. Očekávaných úspor lze dosáhnout jen pomocí automatické regulace a optimalizace hydraulického zapojení celé soustavy. Zásadně platí, že všechny požadované energetické kombinace by se měly včas a co nejpřesněji zahrnout do projektu soustavy. Je také vhodné, aby všechny potřebné prvky soustavy pocházely od jednoho dodavatele.