Vedecký tím na Strojníckej fakulte STU v Bratislave, pod vedením docenta Masaryka z Ústavu energetických strojov a zariadení, sa dlhodobo zameriava na tému energetickej udržateľnosti. Jedným z ich inovatívnych projektov je priama výroba klimatizačného chladu zo solárneho tepla, s cieľom pokryť potreby veľkých obytných, administratívnych alebo výrobných budov. Tento prístup kombinuje ploché reflexné solárne kolektory ako zdroj tepla s ejektorovým chladením, ktoré je známe svojou jednoduchosťou a spoľahlivosťou.
Solárna energia predstavuje nevyčerpateľný zdroj, ktorý je možné efektívne využívať prostredníctvom solárnych termálnych systémov. Tieto systémy umožňujú majiteľom domov využívať slnečnú energiu na ohrev teplej úžitkovej vody a podporu vykurovania, čím sa znižujú náklady na energie a emisie CO2. Solárne termálne systémy sú ideálnym doplnkom vykurovacích systémov v obytných, komerčných aj obecných budovách.
Ako funguje solárny termálny systém?
Základný princíp solárneho termálneho systému je pomerne jednoduchý. Solárne kolektory zachytávajú slnečné žiarenie a premieňajú ho na tepelnú energiu. Táto energia sa následne prenáša do zásobníka, kde sa uchováva a neskôr využíva na ohrev vody alebo podporu vykurovania.
Solárne kolektory: Srdce systému
Solárne kolektory sú kľúčovou súčasťou solárnych termálnych zariadení. Ich hlavnou úlohou je zachytávať slnečné svetlo a premieňať ho na teplo. Existujú dva hlavné typy solárnych kolektorov:
- Ploché kolektory: Skladajú sa z tepelne izolovaného hliníkového rámu pokrytého vysoko priehľadným špeciálnym sklom. Toto sklo umožňuje preniknutie veľkej časti slnečného žiarenia do vnútra kolektora, kde dopadá na absorbér. Absorbér je povrchovo upravený tak, aby pohltil čo najviac slnečných lúčov a len minimum sa odrazilo späť do okolia. K absorbčnej vrstve je prichytené potrubie, cez ktoré prúdi teplonosná kvapalina. Pre minimalizáciu tepelných strát je kolektor uložený v tepelne izolovanom ráme.
- Vákuové trubicové kolektory: Skladajú sa z jednotlivých trubíc, ktoré sú prepojené cez kolektor. Každá trubica obsahuje absorbér a teplonosné médium. Teplonosné médium sa počas ohrevu odparuje, kondenzuje na kolektore a odovzdáva slnečnú energiu solárnej kvapaline (solárnemu médiu).
Solárne kolektory dokážu priniesť ročnú úsporu na ohreve vody až do 70 %. Solárne kolektory ohrievajú vodu v zásobníku vody. Napríklad riešenie ZSE Solar Komfort 3,75 kW obsahuje 3 solárne kolektory a zásobník vody 300 l - pokryje potreby domácnosti s 4 a viac členmi.
ThermProtect: Ochrana pred prehriatím
Solárne kolektory Viessmann sú vybavené patentovaným vypínaním ThermProtect v závislosti od teploty. V prípade plochých kolektorov ThermProtect pozostáva zo špeciálneho absorpčného povlaku, ktorý mení svoje vlastnosti pri zmene teploty. Ak teplota kolektora stúpne nad bod vypnutia, zmena štruktúry kryštálov spôsobí, že sa vyžiari viac tepla. Teplota kolektora potom klesá a solárne kolektory už nie sú ohrozené prehriatím. Vo vákuových trubicových kolektoroch funguje vypnutie v závislosti od teploty prostredníctvom samoregulačnej tepelnej trubice. To zabraňuje kondenzácii média v tepelných trubiciach vždy, keď ich teplota stúpne nad 150 stupňov Celzia. Funkcia vypnutia závislá od teploty ThermProtect funguje bez ďalších komponentov.
Solárny zásobník: Uchovávanie energie
Ak je ponuka slnečnej energie väčšia ako potreba tepla v dome, solárny zásobník absorbuje energiu zo solárneho systému pred jej neskorším uvoľnením pre spotrebiteľov. To pomáha zabezpečiť, aby sa v dome využilo čo najviac solárneho tepla. Typ použitého zásobníka energie závisí od funkcie solárneho tepelného systému.
- Zásobník teplej úžitkovej vody: Používa sa, ak sa systém používa na ohrev teplej úžitkovej vody. Zásobníky teplej vody, ako napríklad Vitocell 100-B/-W, sa plnia teplou vodou a sú vybavené dvoma špirálovými výmenníkmi tepla. Spodný výmenník tepla vedie horúce solárne médium cez zásobník, zatiaľ čo horný výmenník tepla je pripojený ku kotlu, ako je napríklad plynový kondenzačný kotol Vitodens 300-W. Ak výkon solárneho systému nepostačuje na dosiahnutie požadovanej teploty teplej vody, riadiaca jednotka aktivuje druhý generátor tepla.
- Zásobník vykurovacej vody: Používa sa, ak je solárny tepelný systém navrhnutý tak, aby fungoval ako záloha ústredného kúrenia. Zásobník vykurovacej vody sa naplní vykurovacou vodou, ktorá sa ohrieva solárnym teplom prostredníctvom výmenníka tepla.
Solárny okruh: Prenos tepla
Solárny okruh zabezpečuje, aby sa teplo z kolektorov dostalo do domu. Spája komponenty systému a je naplnený solárnym médiom (zmesou vody a nemrznúcej zmesi). Médium sa ohrieva v solárnych kolektoroch a čerpadlom sa čerpá do zásobníka. Tu médium uvoľňuje tepelnú energiu, zohrieva zásobník a ochladzuje sa.
Inštalácia a umiestnenie solárnych kolektorov
Pre dosiahnutie maximálneho úžitku zo slnečnej energie je dôležité správne umiestnenie a inštalácia solárnych kolektorov.
- Umiestnenie: Solárne kolektory by mali byť inštalované na mieste, kde budú vystavené slnečnému žiareniu po celý deň, najčastejšie na streche.
- Orientácia: Na dosiahnutie čo najvyššej účinnosti by mali byť kolektory otočené na juh, s odchýlkou do 30°. Pri predimenzovaní kolektorov ich môžete orientovať aj na východ alebo západ.
- Sklon: Sklon kolektorov by mal byť v rozsahu 25 - 60°, max. 25 - 70°.
Solárne systémy umožňujú pokryť až 60% ročnej spotreby teplej vody v rodinných domoch. Tieto zariadenia tiež prispievajú k vykurovaniu, najmä na jar a jeseň. Pre rodinné domy sú k dispozícii ploché kolektory a vákuové trubice, pričom ich funkčný princíp je podobný. Solárne kolektory tvoria jadro solárneho tepelného systému. Ako napovedá ich názov, zachytávajú slnečné žiarenie. Potom nasleduje premena na využiteľné teplo, ktoré sa môže použiť na ohrev teplej úžitkovej vody alebo ako záložný zdroj ústredného kúrenia v domácnosti.
Ejektorové chladenie: Inovatívna alternatíva
Na výrobu chladu priamo z tepla je možné, popri všeobecne známych, ale pomerne komplikovaných absorbčných chladiacich/klimatizačných zariadeniach, použiť aj veľmi zaujímavé a znovu moderné ejektorové chladiace zariadenia kombinované s Fresnelovými solárnymi panelmi. Teplo vyrobené v popisovanom Fresnelovom solárnom systéme je možné tiež akumulovať pre prípad prevádzky s nízkym alebo nulovým slnečným svitom alebo ho tiež využiť na vykurovacie alebo priemyselné účely.
Ejektorové chladiace zariadenia sú jednoduché, spoľahlivé a lacné - a bez drahých pohyblivých mechanických častí ako sú kompresory. Sú vynikajúcou alternatívou pre výrobu klimatizačného chladu všade tam, kde je relatívne dostatok miesta a tepla (stačí teplo o nízkej teplote), čo je prípad väčšiny striech.
Ako funguje ejektorové chladenie?
Ejektorový chladiaci systém pozostáva predovšetkým zo sústavy troch doskových tepelných výmenníkov. Jediný náročnejší komponent je dýza (ejektor), v ktorej sa Venturiho efektom vytvára podtlak. Ejektory ako technické zariadenia nie sú novinkou, sú známe viac ako poldruha storočia a pred nástupom kompresorového chladenia boli hojne využívané v chladiacej technike i v parných strojoch ako čerpadlá. Majú nižší chladiaci faktor (účinnosť) ako kompresorové chladiace systémy, ale majú obrovskú výhodu v tom, že hlavná pohonná energia je teplo, nie elektrická energia.
Samotný ejektorový chladiaci stroj je skladačka známych komponentov - potrebné sú doskové výmenníky tepla, obehové čerpadlo, škrtiaci ventil a samotný ejektor, čo je vhodne usporiadaná dýza. Jedná sa teda v podstate o skladačku zo známych komponentov. Jediný technologicky náročnejší komponent je práve ejektor, aj tento je však možné vyrobiť na štandardných obrábacích strojoch.
Výhody ejektorového chladenia
- Jednoduchosť a spoľahlivosť.
- Nízke prevádzkové náklady.
- Chýbajú drahé pohyblivé mechanické časti ako kompresory.
- Hlavná pohonná energia je teplo, nie elektrická energia.
- Možnosť akumulácie tepla pre nočnú prevádzku alebo pre prípad nižšej slnečnej intenzity.
- Investične nie príliš náročný.
Kombinácia solárnych kolektorov a ejektorov
Práve budovy predstavujú vhodnú aplikačnú oblasť pre tento druh chladiacej a klimatizačnej techniky. Strechy budov poskytujú spravidla dostatok priestoru pre inštaláciu Fresnelových slnečných kolektorov, ktoré pomerne jednoducho zachytávajú a koncentrujú dopadajúce slnečné žiarenie. Riadiaci systém natáčania panelov podľa polohy slnka je jednoduchý, keďže ide o jednoduché otáčanie rovinných plôch (lesklý plech) okolo jednej horizontálnej osi.
Výpočet ejektorov nepatrí k bežným znalostiam tepelných a chladiarenských inžinierov, pre realizáciu tohto systému je preto vhodné mať k dispozícii sadu vypočítaných a prípadne aj vyrobených ejektorov, ktoré budú vhodne nasaditeľné pre typické prípady vyskytujúce sa v praxi. Výhodou je, že predmetný systém je možné v budovách nadimenzovať vždy na konkrétny objekt a potrebné teplo je možné pomerne ľahko akumulovať aj pre nočnú prevádzku alebo pre prípad nižšej slnečnej intenzity.
Ejektorové chladenie v kombinácii s Fresnolovými solárnymi kolektormi, prípadne s inými zdrojmi lacného tepla predstavuje zaujímavú možnosť ekologickej a aj efektívnej výroby klimatizačného chladu z tepla. Na strane druhej je zrejmé, že takýto systém je nový resp. znovuobjavený a chladiarenské alebo klima firmy nemajú s nasadzovaním podobných systémov skúsenosti a teda pre komerčné nasadenie zatiaľ nie sú prevádzkové skúsenosti.
Fotovoltaika vs. Termický ohřev | Kolik ušetří za energie?
Je tiež zrejmé, že systém je vhodný pre klimatizačné aplikácie tam, kde je dostatok lacného tepla alebo dostatok priestoru pre jeho získanie - napríklad na strechách cez Fresnelove kolektory.
Solárna energia je významným a dostupným alternatívnym zdrojom energie. Jej intenzita na zemskom povrchu sa pohybuje medzi 1340 a 1390 W/m2. Medzi najefektívnejšie metódy zberu slnečnej energie patrí využitie solárnych kolektorov, ktoré premieňajú slnečné žiarenie na teplo.
Správne navrhnutý a nainštalovaný systém solárnych kolektorov od osvedčeného výrobcu vám dokáže vďaka bezplatnej energii získavanej zo slnka ušetriť až 70 % nákladov na ohrev teplej úžitkovej vody a nemalú časť nákladov na vykurovanie. Pri prepočítaní na skleníkové plyny môže ísť o tisíce kilogramov CO2. Nezabúdajte však, že solárne kolektory sú iba doplnkovým zdrojom tepla na vykurovanie a prípravu teplej úžitkovej vody.