Historie solárních termických kolektorů a soustav – 4. část

Seriál přibližuje začátek a vývoj solární fototermiky v bývalém Československu a částečně v sousedních státech. Ve čtvrté části dokumentuje dočerpávání vyteklé kapaliny, vlastní i převzaté koncepce nových solárních komponentů pro sekundární okruh a optimalizaci projekčních vazeb. Předchozí části viz Topin č. 7 a 8/2016 a 1/2017.

Úvod

Předchozí tři díly seriálu popisovaly nejvýznamnější způsoby navrhování a práce solárních soustav. V tomto pokračování se zaměříme na jednu velkou nepříjemnost. Tu se postupem let podařilo dokonale vyřešit optimalizováním projekční přípravy a zohledněním specifických požadavků solárních soustav ze strany výrobců.

7. VYTEČENÍ, DOČERPÁNÍ A ODVZDUŠNĚNÍ KAPALINY

„Vytečení kolektorů“ mělo na svědomí více příčin. Ať už plně ohřátý ohřívač, výpadek elektrického proudu, zavzdušnění kolektorů, jejich předimenzování nebo naopak poddimenzování ohřívače, ale třeba také to, že se v solární den neodebralo běžné množství TV a ohřívač zůstal na druhý den ještě „nabitý“.

Maximální zisk sluneční energie je dán její celodenní akumulací do vody, která by se však měla do dalšího dne, nejpozději dopoledne, spotřebovat a ohřev by měl začínat opět od studené vody. V praxi byl problém s dodržením tohoto postupu převážně v letních měsících, kdy se přehřívání kolektorů a jejich vytečení považovalo za normální (vč. dovolené). Nemrznoucí kapalina byla jednak drahá a navíc také nešetrná vůči životnímu prostředí, proto se z pojistného ventilu zachytávala a shromažďovala ve speciální nádrži, nejčastěji od výrobce. Nádrž musela stát na podlaze, protože do ní vedlo také potrubí od ručního odvzdušňování kolektorů ze střechy a vypouštění otopné vložky.

Tím se obohatila vzduchem, do okruhu se přiváděla ručním čerpadlem křídlovkou, u velkých soustav pak čerpadlem elektrickým (zde již automaticky) a uvolněný vzduch se musel opět ručně odvzdušňovat do nádoby.

Roztažnost kapaliny pro výpočet expanzní nádoby se řešila podobně jako u vytápění, tj. roztažení pouze v kapalném stavu do teploty 100 ^°C. S vytvořením páry v kolektorech expanze přestala plnit svou funkci a kapalina vytekla přes pojistný ventil.

S vývojem automatických odvzdušňovacích ventilů odpadlo alespoň ruční odvzdušňování kolektorů. Umělohmotné ventily se však ze začátku vysokou teplotou poškozovaly, proto se musely po­užívat celokovové. Určitou cestu představovaly také potrubní odplyňovače Spirovent.

Dnešní řešení problému vytékání kolektorů spočívá v „naddimenzování“ expanzní nádoby tak, aby bezpečně zachytila nejen maximální teplotní roztažnost kapaliny, ale i její objem vytlačený parou z kolektorů. Po jejich ochlazení v nich pára kondenzuje a kolektory se opět zaplňují kapalinou bez vnější energie nebo lidského přičinění. Provoz pokračuje dál.

8. NOVÉ SOLÁRNÍ KOMPONENTY

Sluneční energie je energií nízkopotenciální, proto k reálnému využití vyžadovala nové, speciální komponenty. Ty musely nahradit zařízení běžně užívaná pro vysokopotenciál­ní energii topenářské koncepce.

Solární ohřívače

Stávající ohřívače TV neměly dostatečnou teplosměnnou plochu vložky pro přenos sluneční energie. Přesto se hned od začátku navrhovaly velké klasické ohřívače (nejčastěji Ocelové konštrukcie n. p. Žilina, typ OVS – 21, koncepce z roku 1967). Ty po většinu roku pracovaly dobře, ale v letních měsících nastal výše zmiňovaný problém s vytékáním kolektorové kapaliny.

Řešení se nabízelo např. v návrhu dvou menších ohřívačů, čímž se zvětšila celková plocha vložky, přičemž obě zařízení ohřívala TV společně. Jinou variantou představovalo předimenzování jednoho ohřívače s tím, že teplota TV byla sice nižší, ale účinnost kolektorů a zisk sluneční energie vyšší.

Objevil se další problém – teplotní stratifikace. Ideální je udržet vrstvu ohřáté vody pod vrchem ohřívače a zamezit jejímu „rozmíchání“ proudem studené vody zdola nahoru nebo vodorovným vtokem ve spodní části. Výrobcům trvalo značnou dobu, než začali s umísťováním usměrňovačů nad vtok studené vody. Vtok cirkulace je vhodné otočit podél vnitřní stěny, aby se voda v ohřívači otáčela jako čaj v hrnku a zachovaly se teplotní vrstvy. Ideální jsou proto stojaté, nikoliv ležaté ohřívače, do kterých se také jinak umísťovaly jímky pro teplotní snímače.

Oběhová čerpadla

Existovala pouze oběhová čerpadla zn. MAIOR a MINOR, která svými parametry nejlépe vyhovovala solární fototermice (pomalé proudění kolektory a menší dopravní výška). Vyšší výkon se mimo letní období nejčastěji reguloval přivíráním uzávěru na výtlaku. Tříotáčková čerpadla se začala používat až po roce 1989.

Potrubí a tepelná izolace

Ideálním měděným potrubím disponovaly pouze státní nebo armádní zakázky. Proto se na primární okruh běžně používaly závitové pozinkované trubky, pro velké soustavy pak černé topenářské, spojované svařováním. Pokud byl absorbér kolektoru hliníkový, potrubí pozinkované a teplotní vložka měděná, elektrochemická koroze opravdu působila. Proto se zkoušelo do potrubí přidávat zinkové piliny. Problém zanikl s ukončením výroby celohliníkových kolektorů.

Filtry

Vhodným filtrem před čerpadlo byl pouze nerozebíratelný typ PIKAL, viz obr. 10. Dal se jen obtížně čistit malým otvorem zdola, montéři věc tehdy řešili za pomoci zubního kartáčku.

Problém spočíval v tom, že se konopí ze závitových spojů uvnitř potrubí časem uvolňovalo, ucpávalo filtr a výkon soustavy klesal až k nule. Investoři této banální závadě nechtěli věřit. Servis byl po vypršení záruční lhůty sice rychlý, ale s dopravou nepřiměřeně nákladný. Přechod na měděné potrubí opět vše vyřešil.

Začínající prefabrikace

Protože veškerá montáž solární strojovny byla od začátku kusová, začaly se některé montážní prvky postupně připravovat v dílně, přičemž první vznikla čerpadlová sestava, viz obr. 12. Nakonec se dospělo až k dnešním technicky dokonalým prefabrikátům s tepelnou izolací všeho.

Teplosměnné vložky s jemnými žebrovanými pocínovanými trubkami z mědi se v oblastech s tvrdší vodou neosvědčily – zarůstaly vodním kamenem, viz obr. 14.

9. OPTIMALIZACE PROJEKČNÍCH VAZEB

Od začátku se vývoji fototermiky věnovali nadšenci, postupně se přidali příznivci z výroby, škol, projekce, montáží atd. Navrhování solárních soustav se později stalo oficiální součástí běžné projektové činnosti. Seminářů a konferencí se pořádalo mnoho, přesto se dá říci, že řešení části problémů v rámci solárního vývoje zaplatili investoři ve svých zakázkách. Popis je dále veden již z pohledu projektanta.

Řada velkých investorů chtěla realizovat solární soustavu okamžitě, bylo však nutné přihlédnout k následujícím argumentům:

• v první řadě je zapotřebí zpracovat technickoekonomickou studii, pro kterou musí investor dodat požadované podklady;
• až poté definitivně rozhodnout;
• začínat raději menší realizací a získat místní zkušenosti;
• projektovat přes zimu, montáž realizovat nikoliv na podzim, ale na jaře, aby se zachytila celá energie z léta;
• schopnost investora zajistit stavební připravenost a vyrobit nosnou konstrukci na terénu;
• vlastnit a zapůjčit PD stavební i TZB, jinak se muselo vše dostatečně zaměřit atd.

Projekt nemohl zpracovat pouze samotný projektant zdravotní techniky (nejčastěji) nebo ÚT (méně obvyklé). Zapotřebí bylo zapojení odborníků z dalších profesí: stavař, statik, elektro a MaR, někdy i rozpočtář, geolog, architekt. Šlo o zajímavou týmovou práci, avšak vzhledem k nutnosti neustálého studia a řešení vyvstalých problémů také velmi časově náročnou a v neposlední řadě hůře placenou. Některé ústavy ji nechtěly podporovat z důvodu nízké produktivity práce. Totéž se týkalo části dodavatelů.

Velmi závažnou se například ukázala situace, kdy koncepci klasické přípravy TV navrhl původní projektant, solární předehřev před ni pak projektant nový, přičemž se musely řešit technické návaznosti na původní koncepci (např. obtok atd.). Tím vznikla jedna velká „nová“ příprava TV, za níž nechtěl převzít celkovou odpovědnost žádný z projektantů, viz obr. 16. Správně měla být otázka odpovědnosti v případě využití více projektantů vyřešena předem anebo měl být solární předehřev zadán původnímu projektantovi.

Projektant tvoří jakousi spojku mezi investorem a dodavatelem, technicky ztvárňuje požadavky investora a s dodavatelem odsouhlasuje podmínky realizace. V případě problémů pak může zafungovat jako mediátor a odvrátit tak například i hrozící soudní spor.

Závěr

Problémy a následná řešení popsaná v této části patří k těm nejvýznamnějším. Jistě by se dalo hovořit o stovkách méně závažných ­situací, to bychom však již překročili kapacity tohoto časopisu.

---

Dokončení příště