Manjšo rabo energije lahko dosežemo z učinkovito
rabo in izkoriščanjem obnovljivih virov. Sončna energija je namreč
energija, ki je na razpolago brezplačno in obenem tudi ne onesnažuje
okolja. Sonce lahko v stavbah izkoriščamo
na več načinov, najpogostejša je pasivna raba sončne energije, kjer
sonce neposredno greje prostore skozi prozorne ali prosojne površine,
kot so okna, stekleniki, fasade s prosojni izolacijo in podobno. Za pripravo vode, pa je v široki
najbolj uveljavljeno neposredno ali aktivno izkoriščanje sončne energije,
pri katerem sistem sestavljajo sprejemniki sončne energije (SSE),
hranilnik toplote (HT) in vsi vmesni deli ter medij za prenos toplote
iz sprejemnikov v hranilnik. Članek je namenjen vsem, ki razmišljajo
ali imajo namen vgraditi solarni sistem za pripravo tople vode s pomočjo
SSE, kajti ta način je pri nas že dolgo uveljavljen. Po površini
SSE na prebivalca smo med vodilnimi evropskimi in svetovnimi državami
in sicer je v RS v uporabi 100.000 m2 SSE ali 0,05 m2
na prebivalca (Švica 0.02 m2, Avstrija približno 0.09 m2,
ki ju poleg nekaterih sredozemskih držav štejemo med tovrstno najbolj
opremljene države na svetu). Prihranek energije, ki ga dosežemo
z vgradnjo solarne naprave za ogrevanje vode za štiri člansko družino,
je v povprečju med 2000 do 3000 kWh letno, kar je enakovredno približno
200 do 300 litrov kurilnega olja.
1. Osnovni pojmi
Sončno sevanje, pod katerega razumemo izhajajoči
energijski tok, ki pade na zunanji rob zemeljske atmosfere znaša
1367 W/m2 (tako imenovana sončna konstanta). Sončno sevanje
delimo v direktno oziroma neposredno in difuzno, kar skupaj predstavlja
globalno sončno sevanje. Direktno sevanje prihaja v obliki žarkov
direktno iz sonca, difuzno pa iz celotnega nebesnega svoda. Pri
prehodu sončnih žarkov skozi atmosfero se del teh v plasteh ozona,
ogljikovega dioksida, vodne pare, prahu absorbira in odbije nazaj
vesolje, tako da dospe na površino zemlje maksimalno približno
1000 W/m2. Molekule teh plinov in prašni delci sevajo
v vseh smereh energijski tok, ki ga imenujemo difuzno sončno sevanje,
ter se veča z naraščajočo oblačnostjo. Z naraščajo oblačnostjo se
veča delež difuznega sončnega sevanja v celotnem sevanju in doseže
pri popolni oblačnosti lahko 100 %. Sprejemniki sončne energije (SSE)
namreč poleg direktnega sevanja in odbitega sevanja od tal, sprejmejo
tudi večji del difuznega sevanja, kar je zelo pomembno, ker niso
vsi dnevi vedri. Pri odločanju za vgradnjo SSE za pripravo
tople vode, moramo poznati količino sončne energije, ki jo imamo na
razpolago v našem kraju. Na našem širšem področju RS sije sonce
od 1600 do 2650 ur na leto, ter vpade na 1 m2 površine
med 1000 in 1400 kWh letno sončne energije. Večina te energije je
na razpolago v času od aprila in oktobra, ko ogrevanje prostorov ni
potrebno, le približno 200 do 250 kWh pa je na voljo v zimskem času.
To pomeni, da ogrevanje prostorov z aktivnimi sistemi v naših vremenskih
razmerah ni ekonomsko upravičeno, priprava tople vode v poletnem času
pa je lahko učinkovita.
Primer dnevnih vrednosti vpadlega sončnega
sevanja je razvidno iz diagrama na sliki št.1
2. Sonce in stavba
Prvi pogoj za izkoriščanje sončne energije
z aktivnimi sistemi je primerna lega stavbe. Stavba ne sme biti v
senci drugih stavb, gozda, hribov in podobno. Sprejemnike sončne energije
ponavadi namestimo na streho, zato je najbolje, da je streha obrnjena
proti jugu, dopustne pa so smeri od JV in JZ. V primerih, da streha
ni postavljena v primerni smeri, lahko SSE vgradimo na druga mesta,
ki nisi preveč oddaljena od hranilnika toplote (HT), le - ta pa ne
sme biti preveč oddaljen od porabnikov. Za sprejem sončne energije je pomemben
tudi nagib SSE od horizontale, kar je razvidno na sliki št.2.
Optimalni nagib SSE je odvisen od zemljepisnega
položaja kraja in časa, ki pa se preko celega leta spreminja v odvisnosti
od višine sonca ter znaša od 20 do 70 stopinj horizontale. V mnogih
primerih pa je nagib SSE pogojen že s samim naklonom strehe na kateri
so SSE nameščeni. Kot je bilo že omenjeno, naj bodo SSE
po možnosti obrnjeni proti jugu, oziroma 15 ali minus 15 stopinj
od te smeri, kar praktično še ne zmanjšuje učinkovitosti samega sprejemnika.
Pri odklonu od optimalne smeri je potrebno upoštevati korekturni faktor
podan v diagramu na sliki št 2.
3. Sestavni deli solarnega sistema
Pri vgradnji solarnih sistemov za pripravo
tople vode, ki jih ponavadi kupujemo in nameščamo kar sami, prihaja
do številnih napak in okvar, zato naj ne bo odveč, da pri tem upoštevamo
določena pravila. Najbolj ekonomično je, da je sistem dimenzioniran
tako, da izkoriščamo sončno energijo od začetka pomladi (marec) do
konca jeseni(oktober), v času novembra do februarja pa je sončne energije
premalo za učinkovito izkoriščanje. Dnevne količine vpadle sončne
energije se gibajo od nekaj desetink kWh/m2 pozimi v oblačnem
vremenu, do več kot 5 kWh/m2 v sončnem poletnem dnevu.
Sprejemniki sončne energije (SSE), ki jim po
domače pravimo "sončni kolektorji", zbirajo sončno energijo
in z njo grejejo vodo v ceveh, ki ima dodano sredstvo proti zmrzovanju
pri temperaturah do minus 25°C. Ogreto vodo poganja črpalka in jo
vodi do prenosnikov toplote, kjer svojo toploto odda vodo v hranilniku
toplote (HT) , ki jo nato uporabljamo za umivanje, pranje in podobno.
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. Ostali elementi predvsem skrbijo za varno delovanje
sistema. Ključni elementi so torej sprejemniki, hranilnik in regulacija
z diferencialnim temperaturnim regulatorjem.
Podrobno pa je solarni sistem za pripravo
tople vode z energijo sonca sestavljen iz naslednjih elementov:
sprejemniki sončne energije (SSE)
hranilnik toplote (HT)
toplotni prenosnik
črpalka
raztezna posoda
regulacijski sistem
povezovalne cevi, polnjene s sredstvom proti zmrzovanju
varnostni ventil, ostala armatura
termometer, manometer
Shema povezave sprejemnikov sončne energije
SSE in hranilnika toplote HT je prikazana na sliki št.3.
Delovanje sistema na sliki št.3 je sledeče:
Temperaturno tipalo 11 na izstopu iz SSE in
temperaturno tipalo v HT merita temperaturno razliko in jo primerjata
s temperaturno razliko nastavljeno na diferenčnem regulatorju 9. V
primeru, da je izmerjena temperaturna razlika večja kot je nastavljena
na regulatorju 9, se vključi obtočna črpalka 6 in toplota prehaja
iz primarnega obtoka v HT. Ko pa je izmerjena temperaturna razlika
manjša od nastavljene, regulator 9 izklopi črpalko 6 in prekine cirkulacijo
fluida za prenos toplote v primarnem krogu. Dvojni termostat 12 (omejavalnik
temperature i varovalni termostat), ki je nameščen v zgornjem delu
HT preprečuje prekomerno ogrevanje sanitarne vode v HT in pri prekoračitvi
nastavljene vrednosti izklopi obtočno črpalko 6. Varovalni termostat
je lahko nastavljen na nižjo vrednost, npr. na 60 stopinj Celzija,
pri sistemih z zelo trdo vodo.
V času, ko je globalno sončno sevanje premajhno
za izkoriščanje, pripravljamo toplo vodo z vročo vodo iz kotla. V
zgornjem delu HT je nameščen cevni toplotni prenosnik (izmenjevalec)
za ogrevanje sanitarne vode. Enojni regulacijski termostat 13 vklaplja
obtočno črpalko 7 pri temperaturi 50 stopinj Celzija.
3.1. Sprejemniki sončne energije (SSE)
Osnovna naloga SSE je pretvorba sončne energije
v toplotno, ki jo preda nosilcu toplote (najpogosteje jej to voda,
lahko je tudi zrak pri zračnih kolektorjih). Učinkovitost nam pove,
kolikšen delež vpadle sončne energije lahko SSE prenese na nosilec
toplote.
Poznamo več vrst sprejemnikov sončne energije.
Ravni SSE so sestavljeni iz absorberja in ohišja s toplotno
izolacijo na spodnji strani ter stekleno šipo na zgornji strani
(visoko propustno steklo debeline 4 mm ali prizmično kaljeno steklo
z majhno vsebnostjo železa, odporno na udarce in ne preveč občutljivo
na udarce). Izolacija mora biti primerne debeline in odporna na ultravijolične
vplive (primerna je trda steklena volna debeline 40 mm, obojestransko
zaščitena z aluminijasto folijo). Absorber naj bo izdelan iz bakrenih
ali nerjavečih cevi s ploščatimi lamelam,nanj naj bo nanesena visoko
selektivna barva odporna do temperature 250°C, lahko pa je nanesen
tudi visoko selektivni nanos - naparjen titanov oksid, ki je mehansko
in kemično odporen, kar naj bi zagotavljalo življenjsko dobo absorberja
do 20 let. Sprejemniki sončne energije s selektivno absorcijsko površino
imajo namreč do 25% boljši izkoristek, vendar so tudi 20 % dražji.
Jekleni, aluminijasti ali plastični absorberji
niso primerni, kajti kmalu bomo imeli težave. Tudi kamene volne raje
uporabljamo za toplotno izolacijo.
Druga vrsta so vakuumski SSE, pri katerih je tlak znotraj manjši SSE bistveno manjši od
zračnega. Največkrat se uporabljajo cevni vakuumski SSE, kjer je v
ceveh posebna tekočina (metanol ali voda), ki se vpari med segrevanjem
absorberja in dviga do vrha SSE in nato v kondenzatorju odda toploto
nosilcu toplote. Kondenzirana tekočina spolzi po cevi navzdol, kjer
se postopek ponovi. Učinkovitost vakuumskih SSE je večja kot pri
ravnih, žal pa je zaradi bolj zahtevne izdelave tudi cena višja .
Sprejemniki so različnih dimenzij, najpogostoje
so dolgi 2m in široki 0,75 m do 1 m. Vgradimo jih v eno, dve ali več
vrst v streho (namesto kritine) lahko pa naredimo posebne okvirje
približno 10 cm nad streho (zaradi snega). Lahko pa jih vgradimo
tudi prosto na streho kot nadstrešek nad teraso in vhodom, na vrtno
uto, lopo oziroma povsod tam, kjer imamo primeren prostor, ki pa ne
sme biti preveč oddaljen od hranilnika toplote.
3.2. Hranilnik toplote (HT)
Za štiri člansko družino najpogosteje uporabljamo
primerno toplotno izoliran 300 litrski hranilnik toplote ("bojler"),
ki ob normalni rabi tople vode zadostuje za dva dni. Izdelani so iz
kvalitetnega jekla, dvoslojno emajlirani in vgrajeno zaščitno Mg
anodo, ki zagotavlja dolgo življenjsko dobo. Izolacija je iz trdega
poliuretana brez freonov in prijazna za okolje. Vgrajena ima dva gladkocevna
toplotna prenosnika (izmenjevalnika), ki zagotavljata hitro ogrevanje.
Možna je tudi izvedba z električnim grelnikom moči 2 do 6 kW , ki
ga lahko koristimo v primeru okvare na solarnem ali kotlovnem sistemu,
ki povezujeta oba prenosnika. Možno je tudi vgraditi regulacijo, ki
omogoča samodejno delovanje in prikaz temperature vode. Za tako velik
hranilnik toplote, potrebujemo SSE površine 6 do 9 m2.
V sončnem vremenu zadostuje 6 m2, v delno oblačnih
dneh ter spomladi in jeseni pa je večja površina priporočljiva.
Za posamična gospodinjstva se vgrajujejo hranilniki
vode z volumnom oda 100 do 500 litrov, ki so postavljeni kot samostojne
enote v stoječi izvedbi. Hranilniki toplote so lahko tudi v ležeči
izvedbi, ponavadi volumna do 200 litrov, ki so zelo primerni v kombinaciji
s kotlom, saj lahko kotel postavimo na hranilnik in prihranimo na
prostoru.
3.3. Cevno omrežje in dodatna oprema
Sprejemnike sončne energije povežemo s hranilnikom
toplote z bakrenimi cevmi premera 15 mm ali črnimi (jeklenimi) cevmi,
ki jih moramo dodatno toplotno izolirati. Pocinkane cevi niso primerne
zaradi galvanske korozije med cinkom in bakrom. Uporabljena tesnila
morajo biti tlačno in temperaturno obstojna. Če smo pocinkane cevi
že vgradili, moramo na stiku med njimi in bakrenimi ali črnimi cevmi
vgraditi okoli 50 cm dolgo armirano gumijasto cev. Na tržišču so tudi
plastične cevi (PPR), za katere pa vam mora proizvajalec jamčiti,
da so primerne za ta namen. Vsa napeljava mora biti speljana pod blagim
kotom, da lahko vsa tekočina izteče iz sistema in da se ne pojavijo
zaprti zračni mehurji, ki lahko preprečijo kroženje vode. Priporočena
vrednost pretoka skozi SSE znaša 50 do 100 kg/h, hitrost fluida za
prenos toplote pa naj ne bo večja kot 1m/s. Obtočno črpalko moramo
izbrati glede na zahtevani masni pretok in pretočne upore v primarnem
sistemu.
Pri odprtih sistemih mora biti odprta
raztezna posoda na najvišjem mestu, oziroma minimalno 200 mm nad najvišjo
točko sistema. Vsaka odprta raztezna posoda mora imeti odušno in prelivno
cev. Raztezni vodi morajo imeti premer najmanj 20 mm, brez vgrajenih
zapornih organov, ne smejo imeti zožitve, izvedeni morajo biti tako,da
je zagotovljeno kroženje fluida in onemogočeno nabiranje in zadrževanje
zraka.
Zaprti sistemi so opremljeni s tlačno
raztezno posodo in varnostnim ventilom, vezne cevi so premera minimalno
15 mm. Varnostni vod ne sme imeti vgrajenih zapornih organov. Tlačna
posoda je določena glede na maksimalno delovno temperaturo in če so
dodani dodatki proti zmrzovanju (mešanica voda - glikol) moramo, da
preprečimo uparjanje v sistemu pri maksimalni temperaturi 135 stopinj
Celzija, vzpostaviti v posodi večji tlak od 3 bar nadtlaka oziroma
3,5 bara če znaša npr. statična višina pet metrov. Če znaša npr.
prostornina fluida za prenos toplote v sistemu 30 litrov, zadošča
tlačna posoda s prostornino 3, 3 litra. Za točen izračun posode
in varnostnega ventila, ki je nastavljen za 10 % nad maksimalnim
delovnim tlakom je najbolje, da se posvetujemo z ustreznim strokovnjakom
oziroma projektantom strojnih inštalacij.
V nekaterih primerih je mogoče SSE vgraditi
pod nivojem hranilnika toplote. V tem primeru je kroženje tekočine
v sistemu naravno ali termosifonsko, zato ne potrebujemo obtočne črpalke
in diferencialnega termostata.
V primeru, da vgradimo kombinirano zaprto
ekspanzijsko posodo takšne izvedbe, da se tekočina, ki kroži med SSE
in prenosnikom, lahko pozimi umakne v posodo, ni potrebno več dodajati
sredstev proti zmrzovanju.
4. Zaključek
Kurilno obdobje traja kar 6 mesecev in v tem
času velikokrat posije sonce. V naših krajih znaša sončno sevanje
od oktobra do 15. aprila kar 40 % letnega sončnega sevanja, zato
je velika škoda, da te energije ne bi izkoriščali, saj cene kurilnega
olja in plina neprestano rastejo in bodo naraščale tudi v prihodnje.
Predvsem pri zahtevnejših sistemih opozarjamo
na to da mora sistem dimenzionirati usposobljen strokovnjak, prav
tako izvedbo montaže. Solarni sistemi niso poceni, če pa so izdelani
iz kakovostnih materialov lahko trajajo toliko časa, kot stoji hiša.
Naložba v SSE se povrne v 3 do 5 leti, naložba v ves sistem pav 8
do 10 letih, odvisno pač od tega, koliko zbrane energije tudi porabimo.
Pred nekaj leti se je v Sloveniji pričel izvajati
projekt samogradnje sprejemnikov v okviru organiziranih skupin. Projekt
je privzet po avstrijskem modelu, kjer so na tak način izdelali preko
300.000 m2 SSE. Do sedaj so občani RS v okviru skupin
naredili skoraj 500 m2 SSE, projekt pa se nadaljuje. Prav
tako s na voljo krediti v okviru Ekološko razvojnega sklada RS za
financiranje izdelave naprave za pripravo tople vode s sončno energijo.
Za zelo dobro toplotno izolirane hiše s specifično
porabo toplote pod 80 kWh/m2 na leto, je možno ogrevati
celotno zgradbo ali posamezne prostore s sončno energijo, vendar
je investicija zelo draga in trenutno ni ekonomsko upravičena, saj
potrebujemo površino SSE med 30 in 100 m2 in hranilnikom
toplote mede100 in 2000 litri.
Kot pa je bilo že omenjeno, je pa priprava
tople sanitarne vode s sončno energijo smiselna, ker je prihranek
energije, ki ga dosežemo z vgradnjo solarne naprave za štiri člansko
družino, v povprečju med 2000 do 3000 kWh letno, kar je enakovredno
približno 200 do 300 litrov kurilnega olja.