Řízení a regulace solárních systémů

S nárůstem počtu instalovaných solárních zařízení se na trhu objevují různé regulační systémy pro jejich řízení. Liší se cenou, kvalitou, spolehlivostí a obslužným komfortem.

Nechceme se zde zabývat kvalitou ani spolehlivostí jednotlivých zařízení, ale rádi by jsme se zastavili u obslužného komfortu a schopnosti regulačních systémů maximálně využívat dopadajícího slunečního záření.

Než se budeme zabývat jednotlivými funkcemi regulačních systémů a jejich schopností se adaptovat v konkrétních situacích, je třeba si zopakovat možnosti využití solárních systémů.

 

V současné době jsou tři nejvyužívanější aplikace, ve kterých se solární systémy instalují. Jedná se o systémy pro ohřev teplé užitkové vody (TUV), systémy pro ohřevy bazénů a systémy pro přitápění nebo jejich vzájemné kombinace.

Samozřejmě existují i možnosti průmyslového využívání solárních systémů např. pro sušení dřeva, výroba technologické páry v letních měsících a v neposlední řadě solární klimatizace pro velké i malé objekty.

Vrátíme-li se k výše zmiňovaným třem nejužívanějším aplikacím, probereme jednotlivé aplikace samostatně a pak si řekneme o úskalích s regulací solárního systému při kombinaci těchto aplikací.

1.solární ohřev teplé užitkové vody (dále jen TUV)

2.solární ohřev bazénu

3.solární vytápění

VÝBĚR VARIANTY

Uživatel se musí rozhodnout, kterou z uvedených variant nebo jejich kombinace požaduje. Jednotlivé varianty se liší svou technickou náročností a velikostí zásahu do stavební části objektu.

Solární ohřev TUV

Tato varianta je nejméně technicky a finančně náročná. Uživatel potřebuje pouze tlakový zdroj studené vody a elektrickou energii. Pro výpočet velikosti celého zařízení se vychází z počtu obyvatel daného domu nebo bytu. Z ekonomického hlediska návratnosti daného zařízení doporučuji nepřistupovat k instalaci solárního zařízení pro ohřev TUV menšího než 200litrů.Regulace takového systému spočívá v porovnávání aktuální teploty na kolektorech a aktuální teploty v zásobníku TUV. Při jejich dostatečné diferenci ve prospěch kolektorů dojde ke spuštění oběhového čerpadla solárního systému a přenosu tepla z kolektorů do zásobníku TUV přes výměník umístěný v tomto zásobníku. Pokud rozdíl teplot klesne pod určitou nastavenou hodnotu dojde k odstavení čerpadla a přenos tepla je zastaven. Regulace takového systému může být ovlivněna pouze nastavením diference pro vypnutí a zapnutí oběhového čerpadla solárního systému. Výrazného rozdílu ve využití solární energie můžeme dosáhnout vhodným umístěním solárního výměníku a především čidla v zásobníku TUV. Důležitou roli zde hraje i umístění náhradního zdroje tepla pro tento zásobník.

 

 

Na výše uvedeném schématu vidíme jednoduchý systém pro ohřev TUV.

Na výše uvedeném schématu vidíme jednoduchý systém pro ohřev TUV.

 

Specifikem solární regulace pro ohřev TUV je ovládání náhradního zdroje tepla pro její ohřev tak, aby docházelo k maximálnímu využití solární energie dopadající na instalované zařízení. Běžný způsob regulace u jednodušších systémů je: buď svítí sluníčko a je dostatek energie pro ohřev TUV nebo sluníčko nesvítí a zapne se náhradní ohřev. Kvalitnější regulace tento problém řeší pomocí kombinace termostatu blokujícího náhradní ohřev od teploty a časového katalogu, nejlépe týdenního, blokujícího náhradní ohřev v závislosti na čase.

Systém pracuje tak, že pokud dosáhne teplota na kolektorech alespoň o ∆toC vyšší hodnotu než je právě aktuální teplota TUV v zásobníku, automatika zapne oběhové čerpadlo solárního okruhu a voda v zásobníku se začne ohřívat. To se děje do okamžiku, než se hodnoty obou teplot srovnají. Po tuto dobu je odstavený náhradní zdroj tepla. Aby bylo možné využít solární energie během dne v maximální možné míře, je možné náhradní zdroj uvádět do provozu až v odpoledních hodinách. Hodina je libovolně nastavitelná pro pracovní a víkendové dny v týdnu rozdílně. Dobu uvedení náhradního zdroje pro ohřev TUV do provozu doporučujeme navrhnout v závislosti na výkonu uvedeného zdroje.

Solární ohřev bazénu

Tato varianta je technicky podobná s variantou první. Finančně je náročnější s ohledem na větší počet kolektorů.

V této části se nebudeme zabývat návrhem velikostí solárního sytému, ale budeme porovnávat způsob regulace ve srovnání s ohřevem TUV.

Oba systémy jsou si v principu podobné s tím rozdílem, že při ohřevu bazénu pracujeme v menším rozpětím teplot. V případě venkovního bazénu se většinou nepoužívá náhradní ohřev bazénové vody. Tento ohřev se využívá až u bazénů pro celoroční provoz.

Je třeba si uvědomit, že pracujeme se 100x většími objemy vody, než při ohřevu TUV a z těchto důvodů je tepelná setrvačnost systému a reakce na teplotní změny mnohem pomalejší. Z těchto důvodů se např. diference pro zapnutí a vypnutí oběhového čerpadla solárního systémů pro ohřev bazénu nastavují na nižší hodnoty než u systémů pro ohřev TUV.

 

Na výše uvedeném schématu vidíme kombinovaný systém pro ohřev bazénu a TUV.

Na výše uvedeném schématu vidíme kombinovaný systém pro ohřev bazénu a TUV.

 

Tento systém se skládá z kolektorů umístěných na slunném místě, v ideálním případě na jih, potrubí, solárního kompletu, regulační jednotky a bazénového výměníku zapojeného do vodního hospodářství bazénu.

Systém pracuje tak, že pokud dosáhne teplota na kolektorech alespoň o ∆toC vyšší hodnotu než je právě aktuální teplota v bazénu, automatika zapne oběhové čerpadlo solárního okruhu a voda v bazénu se začne ohřívat. To se děje do okamžiku, než se hodnoty obou teplot srovnají.

V případě instalace kombinovaného systému pro ohřev bazénů a TUV je potřeba určit prioritu ohřevu. Regulační systém musí řešit dva problémy, které nastávají při této kombinaci. Jedná se o progresivní nárůst teploty v zásobníku TUV a velký odběr tepla na bazénovém výměníku. V případě prioritního ohřevu TUV může nastat situace kdy při dostatečném slunečním záření bude zásobník TUV plně nabitý a veškerá energie solárního systému bude využívaná k ohřevu bazénů. Při zahájení odběru ze zásobníku TUV dojde k jeho ochlazení a vznikne požadavek na další ohřívání TUV. Protože bazénový výměník je velkým spotřebičem tepla, bude výstupní teplota z kolektorů nižší, než by bylo třeba pro ohřev TUV. Kvalitnější regulace tento problém řeší dočasným zastavováním oběhového čerpadla solárního systému a následným rozběhem s vzájemným porovnáním teploty na výstupu z kolektorů a zásobníku TUV. V případě vhodného ∆toC začne systém ohřívat TUV. V opačném případě dále ohřívá vodu v bazénu a po nastavené časové prodlevě opět zastaví oběhové čerpadlo solárního systému a proces se opakuje.

UPOZORNĚNÍ !!!

Pokud budete používat bazén jenom během sezóny a solární systém bude konstruován v nemrznoucím provedení pro celoroční provoz, musíte zajistit odběr tepla z kolektorů i mimo letní sezónu.

Solární ohřev topení

Tato varianta je technicky nejvíce náročná. Tento druh realizace doporučujeme u novostaveb nebo u rekonstrukcí, spojených s úpravou topného systému. Především doporučujeme zateplení objektu, kvalitní okna a dveře. Tím se sníží energetická náročnost objektu a s tím spojená potřebná velikost a výkon zřízení, které je nutné k vytápění objektu. Topný systém musí být naddimenzovaný na teplotní spád 55oC na 45oC. Nevýhodou je skutečnost, že v době, kdy svítí sluníčko, většinou není potřeba tolik topit a získaná energie u přímotopných systémů není využitá maximálně.

Doporučujeme instalaci jedné nebo několika akumulačních nádrží naddimenzovaných tak, aby bylo možné topit s naakumulovanou energií řádově od šesti do deseti hodin, a to při plném topném výkonu. Návrh takového systému je předmětem projektové dokumentace a liší se zakázku od zakázky. Je nutné myslet také na letní přebytek energie, který je vhodné likvidovat například v bazénu nebo komfortním vytápěním koupelen, pokud to topný systém umožňuje. Topné solární systémy jsou nejdražší z hlediska pořízení, ale nejlepší s ohledem na využitelnost tepla získaného z kolektorů. Většinou se tyto systémy kombinují s ohřevem TUV a v létě s ohřevem bazénu.

 

Na výše uvedeném schématu vidíme kombinovaný systém pro přitápění, ohřev bazénu a TUV.

 

Systém pracuje tak, že hledá pro aktuální teplotu na kolektorech možnost využití: přímý ohřev topení, nahřívání TUV nebo akumulační topení, nebo okamžitě topí. Způsob výběru je závislý na nastavených prioritách a aktuálních teplotách v jednotlivých odběrných zařízeních. Později při poklesu venkovní teploty a nutnosti topit v objektu dochází k automatickému odběru tepla z akumulační nádrže a při poklesu teploty v akumulační nádrži pod požadovanou mez dojde ke spuštění placeného zdroje tepla, plynu, nebo elektřiny. Program pro tyto aplikace je složitá záležitost a staví se na míru pro každého zákazníka podle stavební dispozice a potřeb uživatele. Zároveň s individuelním návrhem řídícího systému je nutné navrhnout vhodné technické zařízení, především počet kolektorů a jejich umístění, velikost akumulační nádrže a její technické vybavení (vývody, umístění čidel, separátor a izolace), topný systém je nutné navrhnout tak, aby bylo možné topit v každé místnosti zvlášť podle individuálních požadavků v závislosti na čase. Vhodná je i kombinace několika druhů topných systémů, které si vzájemně vykrývají nevýhody tak, aby při minimálním odběru tepla bylo dosaženo maximálního komfortu. 

Jak už bylo výše uvedeno, je využitelnost takového systému závislá především na stavební dispozici technického vybavení objektu. Obecně platí, čím lepší tepelná izolace, čím nižší teplota vody nutná pro vytápění, tím lepší využitelnost solárního systému.

Rozhodne-li se uživatel instalovat solární systém: kombinace ohřevu TUV, zimního přitápění a letního ohřevu bazénu je nutné tento topný systém řešit jako komplet s jedním regulačním systémem včetně vlastního topení, který bude řídit všechny topné procesy. V případě vhodně navrženého systému můžeme takovýto řídící systém komunikovat s domovním alarmem nebo jiným zařízením, z kterého bude patrné, že obyvatelé domu nejsou přítomni a v takovém případě uvede celý dům do útlumového režimu, přesto že například časový program je nastaven na komfortní topení. Zároveň s útlumovým režimem topení bude blokován náhradní ohřev TUV a odstaveno cirkulační čerpadlo TUV. Tímto způsobem lze dosáhnout velmi výrazných úspor bez zásahu obsluhy a ztráty komfortu.

                                                                         Na výše uvedeném schématu vidíme kombinovaný systém pro přitápění, ohřev bazénu a TUV.

 

Ing. Milan Stehlík