EN
Princípy fungovania a konštrukcia tlakových systémov
Tlakové solárne vykurovacie systémy využívajú uzavreté systémy. Médium na prenos tepla (ktorým môže byť voda alebo zmes vody a propylénglykolu) sa čerpa pod tlakom 50–100 psi cez kolektorové panelové strechy a izolovanú nádrž na teplú vodu. Hlavnou výhodou týchto systémov je ich schopnosť pripojiť sa k bežným domácim potrubným systémom. To znamená, že všetky kohútiky a sprchové hlavy poskytujú konštantný tlak a teplotu vody, aj keď sú v viacposchodových budovách súčasne používané teplá i studená voda viacerými užívateľmi. Na vyrovnanie tepelnej expanzie obsahujú tieto systémy špeciálne expanzné nádoby. V väčšine inštalácií sa ako materiál pre potrubia uprednostňuje nehrdzavejúca oceľ alebo meď, pretože tieto materiály sú veľmi odolné voči korózii. To ich robí vhodnou voľbou pre dlhodobý prevádzkový výkon v obidvoch typoch potrubných systémov – v rezidenčných aj komerčných.
Tlakové termosifónové systémy fungujú prostredníctvom procesu nazývaného prirodzená konvekcia. V rámci tohto procesu slnečné kolektory umiestnené na streche zohrievajú vodu. Táto zohriata voda sa prirodzene dvíha do zásobníkov, ktoré sú umiestnené vyššie ako kolektory. To znamená, že systémy nepoužívajú čerpadlá a nie je potrebné používať drahé tlakové komponenty. Väčšina konštrukcie sa vykonáva z lacných materiálov (ako napríklad EPDM gumy a polypropylénu). Tento typ konštrukcie je vhodný, pretože systémy pracujú za bežného tlaku (atmosférického tlaku). Tieto systémy majú špeciálne funkcie pre prípady, keď teploty klesnú pod bod mrazu (studené zimy). Automaticky vypustia a prepláchnu vodu z rúr kolektorov, aby sa zabránilo poškodeniu spôsobenému prasknutím rúr v dôsledku zamrzania.
Kľúčové rozdiely v materiáloch a výmene tepla
Rozdiely v materiáloch a konštrukcii sú dôsledkom odlišných základných prevádzkových princípov. Vzhľadom na prítomnosť trvalého tlaku je potrebné použiť kovové materiály s vysokou integritou (odolné voči korózii), napríklad nehrdzavejúcu oceľ, pre potrubie a výmenníky tepla v systémoch, ktoré sú za tlaku. Systémy, ktoré nie sú za tlaku, tieto požiadavky nesplňajú, čo umožňuje širšie využitie polymérnych materiálov. To výrazne zníži náklady na stavbu, ako aj zjednoduší inštaláciu.
Rôzne systémy majú rôzne spôsoby prenosu tepla. Jednotky, ktoré sú pod tlakom, zvyčajne majú vnútorné cievky alebo plášťové výmenníky tepla umiestnené v dobre izolovaných nádržiach. Tento dizajn udržiava pitnú vodu oddelenú od glykólovej slučky. Hoci tento dizajn vedie k nižšiemu riziku zamrznutia, spôsobuje vyššiu zložitosť údržby. Nepodtlakové systémy sú iné. Niektoré systémy ohrievajú vodu priamo v kolektore, čo sa nazýva priamy termosifón. Iné sú vybavené jednoduchými vonkajšími výmenníkmi tepla. Nepodtlakové systémy zvyčajne lepšie fungujú pri miernej teplote a dosahujú vyššiu účinnosť. Avšak náhle zmeny teploty výrazne znížia ich výkon a odolnosť voči počasiu.
Prispôsobenie najvhodnejšieho solárneho ohrievača vody podmienkam na vašom mieste
Vodný tlak a typ potrubia a budovy
Pochopte súčasný systém zásobovania vodou je nevyhnutné pri určovaní vhodnosti systému. Väčšina moderných stavieb využíva tlakový systém, pri ktorom sa voda privádza do jednotlivých jednotiek prostredníctvom hlavných prívodných potrubí. Preto sú tlakové ohrievače vody ideálne pre bytové domy, kondominia a viacposchodové obydlia, kde je na každom poschodí vyžadovaný tlak vody. Tieto systémy sú tiež ideálne pri rekonštrukcii starších budov, pretože umožňujú vyhnúť sa rozsiahlejším úpravám existujúcich konštrukcií, aké by mohli byť potrebné pri tradičných inštaláciách, aby sa zabránilo využitiu strešných alebo pôdnych priestorov.
Gravitačné systémy fungujú výborne v nepresurizovaných systémoch, napríklad v vidieckych oblastiach, starších domácnostiach s nádržami na studenú vodu umiestnenými na streche alebo úplne izolovaných (off-grid) systémoch. Problémy vznikajú v prípade nedostatočného vertikálneho priestoru medzi miestom zberu a vstupom do zberného miesta. Zvyčajne sa odporúča minimálny vertikálny rozdiel aspoň pol metra. Toto môže byť problémom pri budovách so slabým sklonom strechy alebo plochou strechou. Nepresurizovaný vodný systém môže mať znížený výkon pri nízkom tlaku vody (približne 20 libier na štvorcový palec), keď voda v týchto systémoch tečie pomaly a len kapiete. Naopak, presurizovaný systém túto situáciu zvláda lepšie. Pred inštaláciou je vždy nevyhnutné preskúmať existujúcu potrubnú sieť, aby sa minimalizovala potreba čerpadiel a ventilov. To je mimoriadne dôležité v starších budovách, kde sa snažíme čo najmenej zasahovať do existujúcej potrubnej infraštruktúry. Kapacita strešných zaťažení, podmienky klímy a posúdenie rizika zamrznutia
Zistili sme, že pevnosť konštrukcie a odolnosť voči počasiu sú kľúčové aspekty, ktoré je potrebné zohľadniť pred výberom budovy na inštaláciu solárnych systémov. Systém pre ploché strechy zvyčajne pridáva medzi 30 a 50 kilogramov na štvorcový meter. Neprebytkové systémy majú tendenciu byť ľahšie, pretože ich návrh zahŕňa menšie nádrže, čo uspĺňa ich inštaláciu na už existujúce konštrukcie. Väčšina solárnych inštalácií je vhodná aj pre strechy so sklonom. Existuje však jedna dôležitá poznámka: inštalační technici musia mať na pamäti, že v oblastiach pozdĺž pobrežia pôsobia silnejšie veterné sily, čo zvyšuje požiadavky na upevnenie približne o 15 až 20 percent. To znamená, že v týchto oblastiach je nevyhnutné použiť certifikované montážne systémy, ktoré inštalujú špeciálne certifikovaní montéri, aby sa zabezpečila odolnosť systému voči búrkam.
Riziko zamrznutia je dôležitým faktorom pri výbere vykurovacích systémov. V regiónoch, kde teploty klesnú na nulovú hranicu počas viac ako dvoch po sebe nasledujúcich dní ročne, sa uprednostňujú tlakové systémy kombinované s mrazuvzdornými roztokmi glykolu. Táto zmes zabraňuje zamrznutiu potrubia. Nepresurizované systémy však závisia od účinných systémov odvodnenia (drain-back). Medzi tieto patria správne sklonené potrubia na odvodnenie vody, bezpečnostné ventily, prevádzkové zálohy v prípade poruchy a pomocný napájací systém pre riadiaci systém. Požiadavky na odvodnenie a riadiaci systém spôsobujú v takomto klíme vyššie nároky na údržbu. Naopak, s výnimkou niekoľkých extrémne mrazivých klím umožňujú tropické a trvalo nemrazivé klímy použitie jednoduchých nepresurizovaných termosifónových systémov, ktoré efektívne fungujú po dlhšie obdobia bez potreby zložitých mechanizmov. Pre regióny s menej ako 200 slnečnými dňami ročne sú tlakové systémy lepšou voľbou, pretože sú v oblačnom počasí účinnejšie než nepresurizované systémy. Dôvodom je, že tlakové systémy umožňujú nepretržitú cirkuláciu aj počas predĺžených období slabého slnečného žiarenia, čo nakoniec zníži pravdepodobnosť poruchy systému v období zlého počasia.
Praktické využitie a účinnosť rôznych typov slnečných ohrievačov vody
Existujú dva hlavné typy slnečných ohrievačov vody: tlakové a netlakové. Tieto dva typy slnečných ohrievačov vody sa môžu realizovať a nakonfigurovať mnohými rôznymi spôsobmi, pričom ich konštrukcia, poveternostné podmienky, v ktorých sa používajú, ako aj odbornosť inštalátora, môžu výrazne ovplyvniť ich výkon. Kvalitné inštalácie zvyčajne pokryjú 50 až 75 % potreby teplej vody zo slnečnej energie. Tlakové modely dosahujú väčšinou vyššie percentuálne hodnoty, pretože ich výmenníky tepla sú lepšie navrhnuté, čo umožňuje účinnejšie udržiavanie prietoku cez potrubie. To ich tiež robí účinnejšími v chladnejšom počasí alebo pri výkyvoch teplôt.
Tlakové a netlakové systémy sa vzhľadom na teplo správajú odlišne. Netlakové systémy – tzv. termosifónové systémy – dosahujú o 10–15 % lepší výkon v teplom počasí, keď nevzniká negatívny vplyv čerpadiel ani znížená účinnosť prenosu tepla z komponentov. Na druhej strane tlakové systémy poskytujú po celý rok konzistentný výkon – priemerne v každom ročnom období, najmä v zime – a v mrazivých teplotách majú celkový výkon približne o 30 % vyšší. Avšak opak toho platí v tropických oblastiach a teplých oblastiach, kde je jednoduchšia priama metóda ohrevu netlakových systémov účinnejšia.
Keď sú systémy inštalované, ich výkonnosť závisí viac od dôslednosti pri inštalácii ako od typu príslušného systému. Správne nastavenie uhla systému je veľmi dôležité a dokonca môže zvýšiť výkon systému až o 25 %. Problémy, ako napríklad tieňovanie inými budovami, nesprávne rozmery potrubia alebo zlá izolácia, však môžu znížiť príjmy zo systémov výraznejšie ako iné faktory zapracované do samotného systému. Údržba je veľmi dôležitá. Na vnútorných povrchoch tlakových výmenníkov tepla sa usadzuje vodný kameň a ak sa výmenníky nečistia, účinnosť sa každoročne zníži o 12 %. Nepresurizované systémy nie sú tak náchylné na problémy s vodným kameňom, avšak sú viac náchylné na vznik vzduchových vreciek a usadzovanie sedimentov v otvorených nádržiach. Najnovšie pokroky v oblasti vakuových trubíc sú približne o 15 % efektívnejšie ako ploché kolektory, čo ich robí najnovšími a najvhodnejšími riešeniami. Najnovšie technologické pokroky v oblasti kolektorov sa vzťahujú na oba typy systémov za predpokladu, že sú všetky správne nainštalované.
Celkové náklady na vlastníctvo: počiatočná investícia, údržba a návratnosť investície pre systémy slnečného ohrevu vody
Pri výpočte dlhodobých nákladov ľudia často prehliadajú výdavky nad rámec ceny uvedenej na štítku. Skutočná hodnota zahŕňa inštaláciu, pravidelnú údržbu a úspory, ktoré systém prináša po rokoch. Väčšina domácich majiteľov, ktorí inštalujú systémy slnečného ohrevu vody, minie od 3 000 do 8 000 USD, čo zahŕňa aj náklady na samotný systém. Tlakové jednotky sa zdajú byť bližšie vyššiemu koncu tohto rozsahu. Dôvodom sú dodatočné špecializované komponenty, ako napríklad výmenníky tepla a expanzné nádoby, ako aj glykólový ventil určený na vysoké teploty a väčší objem práce pre inštalačných technikov. Naopak, netlakové modely, napríklad základné termosifónové modely, sa na prvý pohľad javia ako lacnejšie. Ak však nie sú splnené určité podmienky na mieste inštalácie, môžu vzniknúť dodatočné náklady. Nedostatočná voľná výška medzi strechou a systémom a mrazivé teploty môžu spôsobiť oneskorenia a vyššie náklady na ovládanie odtekovej (drain-back) funkcie a na doplnkové vykurovacie riešenia, ktoré je potrebné nainštalovať.
„Správna údržba stojí približne polovicu percenta celkovej inštalačnej ceny systému. To zodpovedá ročným nákladom vo výške približne 15–40 USD na kontrolu stavu systému, doplnenie tlakových glykólových okruhov a kontrolu ventilov, ktoré sa vykonávajú každé tri až päť rokov. Všeobecne platí, že tlakové systémy vyžadujú menej návštev technikov, ak sú inštalované v chladnejších klímach, v porovnaní s netlakovými systémami, ktoré vyžadujú mechanické systémy odvodnenia spätným tokom. Dve najväčšie prevádzkové problémy, ktoré ovplyvňujú netlakové systémy, sú usadzovanie škály a sediment. Preto je dôležité vykonávať testy kvality vody, najmä ak je tvrdosť miestnej vody vyššia ako sedem zrn na galón. Úprava vody za účelom minimalizácie usadzovania minerálov je dôležitá na predchádzanie prevádzkovým problémom v budúcnosti.“
Podľa Úradu pre energetiku Spojených štátov sú úspory z používania slnečných ohrievačov vody veľmi významné. Ich investície ukazujú, že slnečné ohrievače vody umožňujú úsporu 50 % až 80 % nákladov na ohrev vody. Ak domácnosť nahradí konvenčný elektrický ohrievač s jednotným energetickým faktorom (UEF) 1,0 slnečným systémom a vychádza z priemernej národnej ceny elektrickej energie, ročné úspory dosahujú 274 USD; u niektorých domácností môžu byť ešte vyššie. Aj napriek takýmto úsporám je potrebné zohľadniť aj ďalšie faktory pri analýze návratnosti investície. Ceny energií sa predpokladá, že budú každoročne stúpať o 2 % až 5 %, čo zvyšuje úspory. Zároveň však systém s časom stráca na účinnosti. Priemerné systémy každý rok stratia 0,5 % až 1 % svojej účinnosti. Do úvahy je možné tiež zahrnúť rôzne stimuly, napríklad federálnu daňovú výhodu vo výške 30 % nákladov alebo miestne príspevky. Všetky tieto faktory naznačujú, že kvalitné slnečné ohrievače vody sa vrátia do 6 až 12 rokov. V chladnejších oblastiach a najmä v viacposchodových budovách môžu nové tlakové modely mať trochu vyššiu počiatočnú cenu, avšak môžu byť účinnejšie a dlhšie vydržať.
Tieto systémy zachovávajú rovnakú spoľahlivosť počas obdobia zamrznutia, zabezpečujú rovnaký tlak v celom objekte a ušetria vám prestoje spôsobené opravami a údržbou, ktoré iné systémy vyžadujú.
Často kladené otázky
Čím sa tlakové systémy na ohrev vody pomocou slnečnej energie líšia od netlakových systémov?
Rozdiel medzi týmito dvoma typmi spočíva v spôsobe ich prevádzky. V tlakových systémoch je voda udržiavaná pod určitým tlakom v uzavretej obežnej slučke, zatiaľ čo v netlakových systémoch sa voda pohybuje vďaka prirodzenej cirkulácii, preto nie je potrebné použiť čerpadlo a tlak sa udržiava na úrovni atmosférického tlaku.
Aký materiál sa v tlakových systémoch používa na zabránenie korózii?
Na zabezpečenie odolnosti voči korózii v tlakových systémoch sa na bezpečné udržiavanie tlaku v potrubí, výmenníkoch tepla a nádržiach používajú kovové materiály vysokého integritného kvality – meď a nehrdzavejúca oceľ.
Sú netlakové systémy vhodné pre studené klímy?
Nepresurizované systémy sú často menej vhodné pre studené klímy, pretože môžu mať problémy s zamrznutím. Vyžadujú dobré funkcie odvodnenia, aby sa zabránilo poškodeniu potrubia zamrznutou vodou.
Ako ovplyvňuje typ strechy inštaláciu slnečných ohrievačov vody?
Uhol strechy môže ovplyvniť inštaláciu slnečného ohrievača vody. Ploché strechy pridávajú určitú hmotnosť, zatiaľ čo šikmé strechy sú všeobecne vhodnejšie. V oblastiach pri mori sa však vyžadujú špeciálne upevnenia kvôli silnejším veterným silám.
Aká je štandardná údržba slnečných ohrievačov vody?
Údržba zvyčajne pozostáva z kontroly zariadenia, doplnenia kvapalín v presurizovaných systémoch a kontroly usadzovania sa usadín a vodného kameňa. Na predchádzanie usadzovaniu sa vyžaduje pravidelné testovanie kvality vody.