Destrukce solárního kolektoru

Autor je zkušený soudní znalec, který odhaluje příčiny nesprávných funkcí různých zařízení, což dokumentuje i tímto odborným článkem o příčině destrukce vakuových solárních panelů. Poukazuje na to, že technické celky nesmí být konstruovány pouze z jednoho technického hlediska, ale i ve fyzikálních souvislostech mezi vlastnostmi použitých látek a konstrukčním zabezpečením bezproblémových funkcí.

Recenzent: Vladimír Galád

Úvod

V rodinném domě byla zjištěna vada na solární technice – přestal fungovat termický solární ohřev vody. Sluneční kolektory byly poškozeny. Jako možná příčina vzniku škody bylo označeno nadměrné zatížení sněhem během prosince, následné tání a náhlý mráz.

Popis solární techniky v rodinném domě

Zařízení pro přípravu a přitápění sluneční energií bylo instalováno v roce 2016. Hlavním zdrojem tepla je 10 ks trubicových slunečních kolektorů. Každý kolektor obsahuje 10 ks vakuových skleněných trubic. Doplňkovým zdrojem tepla je nástěnný plynový kotel, druhým doplňkovým zdrojem tepla krb. Krb je využívá jen příležitostně.

Pro přenos tepla ze zdrojů do otopné soustavy a potrubí teplé vody je instalován kombinovaný akumulační zásobníkový výměník tepla. Přípravu teplé vody i přitápění řídí
ovládací jednotka.

Zabezpečení proti překročení povoleného tlaku v solárním systému: tlak teplonosné kapaliny udržuje v požadovaných mezích tlaková expanzní nádoba s tlakovou odolností do 8 bar. Proti překročení maximálního tlaku je v kotelně instalován pojistný ventil. Otevírací tlak pojistného ventilu je 2,5 bar.

Popis funkce

Sluneční záření dopadá na vakuové trubice kolektoru. Vakuové trubice jsou naplněny těkavou látkou, která se odpařuje již při nízkých teplotách. Těkavá látka předává teplo pracovní kapalině v horní části kolektoru. Pracovní kapalina je nízkotuhnoucí, bod tuhnutí –30 °C.

Teplo získané ve slunečních kolektorech je přiváděno do topné spirály kombinovaného akumulačního výměníku tepla. Topná spirála předává teplo otopné vodě v akumulační nádobě.
Otopná voda je používána i jako zdroj tepla podlahového teplovodního vytápění.
Teplá voda se v nádrži ohřívá průtokem.

Popis kombinované akumulační nádoby

Nádoba je konstruována tak, že v její spodní části je teplosměnná plocha solárního okruhu tvořená spirálovitou trubkou. Spirálovitá teplosměnná plocha pro přípravu teplé vody průtokem prochází téměř celou výškou akumulační nádoby.

Studená voda je v dolní části nádoby přiváděna do teplosměnné plochy pro přípravu teplé vody.
Sluneční energie ohřívá otopnou vodu prostřednictvím solární spirálovité trubky.
Při odběru teplé vody akumulovaná otopná voda ohřívá teplou vodu ve spirálovité teplosměnné ploše průtokem.

Výhody ohřevu vody průtokem

Nespornou výhodou průtočného ohřevu vody je malý objem ohřívané vody. Nebezpečí přemnožení bakterií typu Legionela je minimální. Výhodou použití kombinované akumulační nádoby je i nenáročnost na prostorové uspořádání technologického zařízení, které plní funkci akumulace, přípravy teplé vody sluneční energií, dohřívání vody kotlem pro vytápění i možností instalace elektrické topné vložky.

Popis funkce akumulační nádoby při ohřevu vody

Studená voda je v dolní části nádoby přiváděna do teplosměnné plochy pro přípravu teplé vody. Při odběru vody protéká zdola spirálovitou trubkou a odebírá teplo z akumulované otopné vody.
Při větším odběru teplé vody dojde k ochlazení otopné vody. Poruší se přirozený teplotní gradient v nádobě.

Během krátké doby teplota otopné vody v celém zásobníku poklesne pod teplotu 70 °C, nutnou pro přípravu teplé vody průtokem na teplotu 40 °C. Regulátor vyhodnotí teplotní poměry a uvede do činnosti doplňkový ohřev otopné vody. Otopnou vodu musíme držet na poměrně vysoké teplotě. Např. má-li mít teplá voda teplotu alespoň 40 °C, je nutné otopnou vodu udržovat na teplotě vyšší, min. 70 °C. To je z hlediska využívání sluneční energie nevýhodné.

Další nevýhodou je, že příprava teplé vody probíhá přes dvě teplosměnné plochy.
Účinnost dobrého výměníku tepla je 52 %. Teoretická účinnost výměny tepla přes dvě teplosměnné plochy je max. 27 %. Ve skutečnosti je však podstatně nižší.
Důsledkem je nízké využívání tepla ze slunečních kolektorů a nadměrná spotřeba energie dodávané doplňkovým zdrojem.

Nevýhodou použití kombinované akumulační nádoby pro přípravu teplé vody sluneční energií je malá využitelnost nízkoteplotního zdroje tepla.

Energetická bilance: maximální výkon trubicového vakuového kolektoru je 800 W. Všechny kolektory instalované na střeše mají maximální výkon 8 kW. Zařízení slouží pro ohřev vody pro 3 až 4 osoby. K ohřevu vody při denní spotřebě 200 l a desetihodinovém slunečním svitu je zapotřebí 4 kW příkonu.Tepelné ztráty objektu při venkovní výpočtové teplotě –12 °C jsou 8 kW.
V kombinované akumulační nádobě lze využít jen část energie získané ze slunečních kolektorů.

Popis poškození

Poškozeno bylo všech 10 trubicových vakuovaných slunečních kolektorů. V každém kolektoru je poškozeno několik trubic. Ty jsou popraskané a v horní části vysunuté z pevné části, ve které dochází k výměně tepla z těkavé kapaliny do teplonosné kapaliny. Je nutné vyměnit celé kolektory.
Majitel se domnívá, že byl poškozen i akumulační výměník tepla. Při prohlídce instalace nebylo poškození akumulačního výměníku zjištěno.

Posouzení reálnosti vzniku škody dle hlášení technika

Dle zápisu technika je příčinou poškození:
a/ příliš velká tíha sněhu během prosince, následné tání vystřídané teplotami pod bodem mrazu;
b/ nejspíše také vysoká teplota.

S výše uvedenými příčinami nelze souhlasit z těchto důvodů:

Kolektory jsou stavěny na maximální zatížení sněhem ve výši 295 kg·m^–2.
Dle ČSN EN 1991-1-3 ed. 2 [1] se měrná hmotnost sněhu uvažuje 120 kg·m^–2.
To odpovídá výšce čerstvého sněhu 120 cm, ulehlého sněhu 60 cm po dobu několika dnů po napadnutí a 40 cm sněhu starého několik týdnů.
Takové množství sněhu však v místě oblasti instalace kolektorů nenapadlo.

Trubice jsou navíc instalovány nad střechou a sníh částečně propadá mezi trubicemi. Pokud by došlo k vytvoření zmrazků, byla by poškozena střecha, nikoliv kolektorové trubice.
Vakuové trubicové kolektory se hojně používají v severských zemích a k poškození vlivem sněhu tam nedochází.

Protože výše uvedené důvody vzniku škody nepřichází v úvahu, je nutné hledat příčinu jinde.

Příčina vzniku škody

Vakuové trubicové sluneční kolektory dosahují teplot vyšších než 300 °C. Stagnační teplota vakuových kolektorů je od 220 do 300 °C. Nízkotuhnoucí kapalina je krátkodobě odolná vysokým teplotám do 260 °C. Při dlouhodobém přehřívání může kapalina částečně polymerovat i při nižších teplotách.

Z energetických bilancí a při použití kombinované akumulační nádoby je zřejmé, že často docházelo ke stagnaci kolektorů a místnímu přehřívání teplonosné kapaliny.

Byl odebrán vzorek teplonosné kapaliny ze zpětného potrubí solárního okruhu. Kapalina obsahuje viditelné částice gelovité konzistence, které vznikají při částečné polymeraci a mohou měnit vlastnosti kapaliny. Částečná polymerace poškozuje funkci armatur.

Pojistný ventil má být instalován na výstupním potrubí ze slunečních kolektorů. Zde je však pojistný ventil chybně instalován ve strojovně. Otevírací tlak ventilu je 2,5 bar – při tomto tlaku je bod varu nízkotuhnoucí kapaliny 135 °C.
Vlastnosti kapaliny mohly způsobit, že pojistný ventil otevřel až při tlaku podstatně vyšším, např. při tlaku 8 bar. Při tomto tlaku je bod varu kapaliny 200 °C.

Při otevření pojistného ventilu poklesne tlak v soustavě a přehřátá kapalina se okamžitě změní v páru. Setrvačné síly teplonosné kapaliny v potrubí neumožní dostatečně rychlý pokles tlaku.

Nastane výbuch.

To vysvětluje vysunutí trubic z výměníkové části kolektorů a následnou destrukci skleněných trubic.

Vyčíslení vzniklé škody

Sluneční kolektory je nutné vyměnit jako celek. Poškozeno bylo 10 ks vakuových trubicových kolektorů. Každý kolektor obsahuje 10 ks trubic. Plocha jednoho kolektoru je 1,57 m². Celková kolektorová plocha je 15,7 m².

Předpokládané náklady na uvedení solárního soustavy do původního stavu činí 295 000 Kč bez DPH.

Závěr

Příčinou vzniku škody je selhání funkce chybně umístěného pojistného ventilu v potrubí solární soustavy. Otevření ventilu při vyšším tlaku, než je nastavený otevírací tlak způsobilo výbuch přehřáté teplonosné kapaliny.

Literatura a zdroje

[1] ČSN EN 1991-1-3 ed. 2:2024. Eurokód 1: Zatížení konstrukcí – Část 1–3: Obecná zatížení – Zatížení sněhem.
[2] Normy aneb kolik váží sníh? Online. In: www.snihnastrese.cz. Dostupné z: http://www.snihnastrese.cz/normove-zatizeni-snehovych-oblasti/ [citováno 2025-03-07].
[3] MATĚJČEK, Jiří. Výhody a nevýhody instalace kombinované akumulační nádoby. Topenářství instalace. Praha: Topin Media, s. r. o., roč. 51 (2017), č. 8, s. 50–51. ISSN 1211–0906. Dostupné také z https://bit.ly/4j8KfCZ
[4] Místní prohlídka instalace solární techniky.

Recenzent: Ing. Vladimír Galád, autorizovaný inženýr pro techniku prostředí, samostatný projektant, Praha; člen redakční rady Topenářství instalace

---

Destruction of Solar Collector

The author is a long-time forensic expert and expert in the field of technical building equipment, who regularly reveals causes of incorrect functions of various devices. In his article on the cause of destruction of vacuum solar panels, he points out that technical units must not be designed only from a technical point of view, but also in the physical context between the properties of the substances used and the structural security of problem-free functions.

Keywords: solar thermal system, solar collector, vacuum tubes, water heating, heat transfer fluid, safety valve, pressure, overheating, destruction.

❏❏❏