Vključitev solarnih naprav v sistem za ogrevanje nizkoenergijskih hiš

Sončno sevanje

Intenzitete sončnega sevanja se spreminja glede na čas dneva, letni čas in vremenske pogoje. Zemeljska površina sprejema le del vpadnega sončnega sevanja. Ob jasnem vremenu in zenitni legi sonca pade na zemeljsko površino približno 1000 W/m². Globalno sončno sevanje je sestavljeno iz direktnega in difuznega (razpršenega) sevanja. Direktno sevanje prihaja neposredno od sonca skozi atmosfero, difuzno sevanje pa vpada z vseh strani neba. Delež difuznega sevanja glede na celotno sevanje znaša za osrednjo Evropo od 40 odstotkov (maja) do 80 odstotkov (decembra).
Ko je nebo povsem oblačno, prispe na zemeljsko površino le difuzno sevanje. Gostota sevanja se spreminja in je odvisna od vremenskih pogojev (tabela 1). Najmočnejše sevanje je opoldne, najmanjše pa zgodaj zjutraj in popoldne.

Tabela 1: Količina direktnega in difuznega sevanja glede na vremenske razmere

Solarni sistem Drain - Back

Klasičen način delovanja solarnega sistema je zelo enostaven. Regulacija sistema temelji na vključevanju črpalke v odvisnosti od izenačevanja temperature delovnega medija v sprejemniku sončne energije (SSE) in spodnjem delu hranilnika. Regulacija z diferencialnim termostatom vklopi črpalko, ko je temperatura vode v SSE višja kot v hranilniku, in jo zopet izklopi, ko je temperaturna razlika premajhna. Poleti lahko prihaja zaradi majhne porabe vode do pregrevanja določenih delov sistema in s tem do nepotrebnih izgub delovnega medija skozi varnostni ventil. Prav tako se lahko zaradi predimenzioniranosti sistemov neporabljena voda zadržuje v hranilniku, kar lahko povzroči nastajanje škodljivih mikroorganizmov. Obstaja tudi nevarnost, da se pričnejo zaradi prekomernega pregrevanja sredstva proti zmrzovanju razgrajevati. Vse te nevšečnosti odpadejo pri solarnem sistemu Drain - Back, ki je prikazan na sliki 1 b.

V vseh letnih časih lahko kot delovni medij za prenos toplote uporabljamo vodo. Delovni medij je v SSE prisoten le, ko je v njih temperatura višja kot v spodnjem delu hranilnika toplote. Delovni medij se v primeru nastalih toplotnih izgub umakne v dodatno posodo, izkoristek sistema se poveča. Ker je delovni medij za prenos toplote voda, ki ima nizko viskoznost, so tudi pretočni upori manjši in zato lahko uporabimo cevi manjših premerov. Pri ostalih sistemih, kjer je delovni medij tekočina, ki ščiti sistem pred zmrzovanjem, moramo zaradi večje viskoznosti in večjih pretočnih uporov uporabiti cevi večjih premerov. Toplotne izgube se povečajo, izkoriščenost prenosa toplote se zmanjša. V primeru izpada električne energije se delovni medij umakne iz SSE in se tako izognemo uparjanju ali zmrzovanju. Pri klasičnih sistemih v primeru izpada električne energije lahko tekočina, ki ščiti sistem pred zmrzovanjem, zavre in preko varnostnega ventila izpari. Za brezhibno delovanje moramo dodati novo hladilno tekočino.

Termosifonski hranilnik toplote

Na sliki 2 b je prikazan solarni sistem, ki ima vgrajen t.i.»termosifonski« hranilnik ali hranilnik toplote z naravno cirkulacijo. Termosifonski hranilniki toplote se pojavljajo v različnih izvedbah. Obratovanje hranilnika toplote je lahko monovalentno ali bivalentno. Uporabljamo jih za pripravo sanitarne tople vode ali tudi kot dodatne hranilnike toplote pri sistemih ogrevanja. Zaradi posebne izvedbe hranilnika se lahko izkorišča že male količine sončne toplote, kar pri običajnih solarnih hranilnikih toplote ni bilo možno. Sanitarna voda se v hranilniku toplote ne ogreva enakomerno, temveč se ogreva v slojih. Vodo, ki jo segrejemo s sončno energijo, vodimo v hranilnik toplote v slojih, od vrha navzdol. S takim načinom segrevanja vode se izognemo prehitrem ponovnem polnjenju hranilnika. Zaradi segrevanja vode v slojih se ustvari velika temperaturna razlika med spodnjim delom hranilnika toplote in sprejemniki sončne energije, kar povzroči dobro naravno cirkulacijo sanitarne vode (povečan vzgon) tudi pri slabšem sončnem sevanju.

Solarni sistemi za nizkoenergijske hiše

Pri nizkoenergijskih hišah so sistemi za ogrevanje in pripravo tople sanitarne vode nadgrajeni s solarnimi sistemi. Nizkonergijske hiše imajo letno specifično porabo toplote za ogrevanje od 30 do 50 kWh/m²a, pasivne hiše ≤ 15 kWh/m²a. Predvsem pri pasivnih hišah velja, da je letna poraba toplote za ogrevanje že skoraj enaka potrebni letni specifični porabi toplote za pripravo tople sanitarne vode (normativ ≤ 12,5 kWh/m²a).
Pri nizkoenergijskih hišah uporabljamo SSE za pripravo tople sanitarne vode in v kombinaciji z drugimi ogrevalnimi sistemi tudi za ogrevanje. Vgrajujemo samo SSE, ki so izdelani s sodobno tehnologijo, da povečamo učinkovitost pretvarjanja sončne energije v toploto. Značilnost sodobnih SSE je predvsem, da lahko tudi pri manjši intenziteti sončnega sevanja ali nižjih temperaturah okolice segrejemo vodo na potrebno temperaturo. Količina zbrane toplote je pri sodobnih SSE večja, kar je posledica manjših toplotnih izgub med segretim absorberjem in steklenim pokrovom.

V primerjavi z nezastekljenimi SSE, kjer je letna količina zbrane toplote približno 125 kWh/m² SSE, znaša pri sodobnih zastekljenih SSE količina zbrane toplote do 400 kWh/m² SSE (prenos toplote s sevanjem je zmanjšan zaradi selektivnega nanosa, ki odlično absorbira kratkovalovno sončno sevanje, medtem ko dolgovalovnega toplotnega sevanja ne oddaja proti steklenemu pokrovu). Prenos toplote s konvekcijo lahko učinkovito zmanjšamo tako, da iz notranjosti SSE izsesamo zrak, kar je značilnost vakuumskih SSE. Pri teh zberemo letno do 600 kWh/m² SSE toplote.

Pomemben element solarnih sistemov za ogrevanje so tudi hranilniki toplote. Hranilniki toplote (HT) so lahko kratkotrajni, ti shranjujejo toploto za nekajdnevno delovanje, ali pa shranjujejo toploto za nekajmesečno delovanje. Dimenzioniranje cevnega razvoda, regulacijskih in varnostnih elementov (ekspanzijske posode, varnostnih ventilov, varnostnih termostatov, ostala oprema) je podobno kot pri standardnih ogrevalnih sistemih.

Solarne sisteme, s katerimi oskrbujemo stavbe s toploto, delimo v dve skupini in sicer v sisteme za pripravo tople sanitarne vode in sisteme za ogrevanje. Za pripravo tople sanitarne vode in podporo ogrevalnemu sistemu se pri nizkoenergijskih in pasivnih hišah v večinoma uporablja toplotna črpalka in sprejemniki sončne energije (površina SSE med 12 in 30 m²). Če vgradimo samo sistem za pripravo tople sanitarne vode, bi zadoščala za eno družino površina SSE od 4 do 9 m² (tabela 2).

Tabela 2: Potrebna površina SSE in hranilnika toplote

Izvedbe solarnih sistemov

Površina SSE in površina ogrevanih prostorov so pri vgradnji nizkotemperaturnega ploskovnega ogrevalnega sistema v razmerju 1 : 5. Delež ogrevanja s solarnimi sistemi lahko znaša pri nizkoenergijski in pasivni hiši od 35 do 70 odstotkov, pri vgradnji sezonskih vodnih ali zemeljskih hranilnikov toplote pa tudi več. Za ogrevanje prostorov enodružinskih nizkoenergijskih hiš brez sezonskega hranilnika se priporoča SSE s površino 15 do 30 m² in toplotnim vodnim hranilnikom 80 do 130 litrov na 1 m² SSE. Pri uporabi vodnega sezonskega hranilnika toplote znaša njihova velikost 1 - 3 m³ za vsak m² SSE. Pri uporabi zemeljskega sezonskega hranilnika znaša njihova prostornina 5 do 10 m³ na vsak m² SSE. Shranjeno toploto črpamo s toplotno črpalko, s čimer dosežemo boljši toplotni izkoristek. Hranilniki morajo biti dobro toplotno izolirani, da se ne ohlajajo prehitro.

Na sliki 2 je prikazan poenostavljen diagram, ki prikazuje upravičenost koriščenja solarne energije za ogrevanje stavb z nizko rabo energije. Potrebna letna toplota za ogrevanje nizkenergijske hiše znaša 50 kWh/m²a, pri klasični gradnji pa 100 kWh/m²a. Višek solarne energije pridobljene poleti je v diagramu prikazan šrafirano. V diagramu je prikazana tudi solarna energija za pripravo tople sanitarne vode. Površina 6 m² SSE zadostuje za pripravo tople sanitarne vode v poletnem času, preko celega leta pa je pokritje s solarno energijo med 80 in 90 odstotki.

Orientacijski podatki nizkoenergijske hiše so:
• SSE: 30 m²
• letna neto ogrevana površina 150 m²
• toplota potrebna za ogrevanje 45 kWh/m²a
• toplotne izgube 35 W/m²
• toplota pridobljena s solarno energijo 18 kWh/m²a (40 % pokritje s solarno energijo)
• raba toplote za ogrevanje 27 kWh/m²a
• potrebe po topli sanitarni vodi pokrite s solarno energijo: 85 %

Solarni sistemi s SSE pri nas v povprečju letno proizvedejo od 350 do 400 kWh na vsak m² sprejemnikov. Pri nizkoenergijski hiši znaša potrebna letna toplota za ogrevanje 30 kWh/m²a in manj, zato lahko s solarnimi sistemi zagotovimo skoraj celotno letno potrebno energijo za ogrevanje in pripravo tople sanitarne vode. V tem primeru potrebujemo dobro toplotno izoliran sezonski hranilnik toplote kapacitete 14 m³. Za enodružinske nizkoenergijske hiše predstavlja vgradnja sezonskega hranilnika veliko investicijo, zato se običajno vgrajujejo solarni sistemi brez sezonskih hranilnikov toplote (večje sezonske hranilnike toplote vgrajujemo predvsem pri ogrevanju več družinskih hiš in solarnih sistemih za ogrevanje naselij). Za nekajdnevno shranjevanje toplote vgradimo hranilnik s prostornino 80 do 130 l za vsak m² sprejemnikov sončne energije. Pri tem je izvedba in tip SSE zaradi manjšega sončnega obsevanja in nižjih temperatur pozimi zelo pomembna.

Na sliki 3a je prikazana shema solarnega sistema za ogrevanje in pripravo vode. Varianta 1 prikazuje vgradnjo toplotnega prenosnika za pripravo tople sanitarne vode v hranilniku toplote (HT), medtem ko varianta 2 prikazuje vgradnjo prenosnika toplote za pripravo tople sanitarne vode izven hranilnika toplote.

Na sliki 3 b in 3 c prikazana posebna izvedba hranilnika toplote (Tank in Tank). Slovenski prevod je hranilnik v hranilniku.

Na sliki 3 d je prikazana izvedba solarnega HT pod komercialnim imenom Conus 500, ki je izdelan iz plastične mase in ima konično obliko. Prostornina hranilnika znaša 500 litrov. Zaradi posebne razporeditve toplotnih prenosnikov, dodatna črpalka ni potrebna. Kroga sanitarne vode in ogrevne vode sta ločena, sanitarna voda se ogreva pretočno, kar je preprečuje okužbo z bakterijami legionele. Zaradi segrevanja vode v slojih se ustvari velika temperaturna razlika med spodnjim delom hranilnika toplote in sprejemniki sončne energije, kar ima za posledico dobro naravno cirkulacijo sanitarne vode (povečan vzgon) tudi pri slabšem sončnem sevanju. Zaradi ločitve obeh vodnih krogov, lahko hranilnik toplote koristimo tudi za pokrivanje potreb po ogrevalni toploti. Zaradi razmeroma velike pretočne hitrosti vode je znatno zmanjšana običajna tvorba vodnega kamna. Če je prenosnik treba izprati, je to možno brez odpiranja in praznjenja celotnega hranilnika. Toplotni prenosniki v hranilniku so izdelani iz narebričenih bakrenih cevi.

Na sliki 3 e prikazana podobna izvedba HT WES - 800 C za segrevanje vode v slojih. Toplotna cevna prenosnika sta izdelana iz PE (priklop na SSE) in nerjavečega jekla (pretočni grelnik za sanitarno vodo). Izvedba pretočnega grelnika sanitarne vode s količino vode 55 litrov omogoča hitro segrevanje vode in preprečuje okužbo z bakterijami legionele.

Na sliki 3 f je prikazana izvedba HT z vgrajenim pretočnim ploščnim prenosnikom toplote (grelnikom sanitarne vode) za segrevanje sanitarne vode. Izvedba HT z vgrajenim ploščnim prenosnikom toplote izven HT je primerna za priključitev na toplotno črpalko za ogrevanje prostorov. Izvedba pretočnega grelnika sanitarne vode omogoča hitro segrevanje vode in preprečuje okužbo z bakterijami legionele.

Vakuumski SSE

Ogrevanje stavb je možno le z visoko kakovostnimi sprejemniki sončne energije. Uporabljamo selektivne SSE, ki zberejo do 400 kWh toplote na m² površine in vakuumske sprejemnike sončne energije, pri katerih lahko pri celoletnem obratovanju zberemo do 600 kWh/m² toplote. Določena pomanjkljivost običajnih vakuumskih sprejemnikov sončne energije (slika 4) je lahko nevarnost pregretja v primeru, da se zbrana energija ne more kontinuirano koristiti.

Zaradi pregretja, kjer lahko temperature narastejo tudi do 400 °C, lahko pride do poškodb na SSE, hranilniku toplote in instalaciji. Vzrok za prekinitev odvoda toplote je lahko izpad električne energije, okvara črpalke, regulacije ali nezadostna poraba tople sanitarne vode. V takšnih primerih se lahko SSE segrejejo preko maksimalno dovoljene temperature, ki je odvisna od vrste sprejemnika. Ta pomanjkljivost je odpravljena pri vakuumskih SSE, ki obratujejo po Heat - pipe principu. Sončno sevanje vpija črna površina absorberja, narejena iz več plasti bakra ter vgrajena v evakuirano stekleno cev, v kateri se nahaja voda. Ta se zaradi sončnega sevanja uparja in teče v cevni prenosnik, kjer se toplota s kondenzacijo prenaša na vodo v sekundarnem krogu. Za zašito pred pregrevanjem služi vzmet ventila v kondenzatorju. Vzmet ventila je narejena iz legure titana in niklja in se pri določeni temperaturi raztegne (zaradi sprememb v kristalni strukturi materiala) ter posledično deluje na ventil z veliko silo. Vzmet ventila v kondenzatorju vakuumske cevi je nastavljena ne temperaturo 95 °C in absorberju na 85 °C. Ventil je odprt, dokler je temperatura manjša od 95 °C, izmenjava toplote med absorberjem in kondenzatorjem nemoteno poteka. Če temperatura preseže mejno vrednost pride do raztezanja vzmeti in se ventil zapre, kar prepreči pregrevanje. Ventil se ponovno odpre (vzmet se skrči) ko se doseže temperatura pod 70 °C. Poleg steklenih cevi se za SSE uporabljajo še posebni neželezni AR materiali, s katerimi dosežemo 30% večjo odpornost na mehanske poškodbe in padavine (točo).

Kompaktni toplotni modul v kombinaciji s solarnim sistemom in toplotno črpalko

Majhne toplotne izgube zahtevajo ustrezen ogrevalni sistem. Z izboljšanjem toplotne zaščite se zmanjšujejo specifične toplotne izgube, te se od nekdanjih 100 W/m² pri klasičnih zgradbah, postopoma pomikajo na približno 40 W/m², kar velja za nizkoenergijske hiše. Pasivne hiše imajo pri uporabi kontroliranega prezračevanja in rekuperaciji toplote še manjše toplotne izgube, manj kot 10 W/m² ogrevane površine. Na sliki 5 je prikazan kompaktni toplotni modul za toplozračno ogrevanje nizkoenergijske ali pasivne hiše z vgrajeno napravo za prezračevanje in rekuperacijo toplote. Za ogrevanje zraka se koristi toplotna črpalka in tudi solarna energija.

Enodružinska nizkoenergijska ali pasivna hiša stanovanjske površine 100 m² potrebuje za ogrevanje le še vir toplote moči med 1 in 4 kW. Zaradi malih toplotnih moči klasična kotlovnica ni potrebna. Za ogrevanje in pripravo tople sanitarne vode lahko vgradimo kompaktne toplotne module s toplotno črpalko, kar je prikazano na sliki 6. Toplotna črpalka je vgrajena v spodnjem delu modula, v zgornjem delu pa je hranilnik toplote ločen s pregrado (za ogrevanje in pripravo tople sanitarne vode, zimsko in poletno obratovanje).


Slika 5

Slika 6


Ogrevalni kotel je možno integrirati tudi v hranilnik toplote in povezati na sprejemnike sončne energije (slika 7).



Slika 7


Viri: www.solvis.de, www.tecalor.de, www.weishaupt.de, www.ths.si


Avtor: Bojan Grobovšek