Kompletní zdroj informací o stavbě, projektování a přestavbě ekologických domů

Zak Vetter přispěl k tomuto článku, který původně vyšel v časopise Home Energy. Se svolením jej přetiskujeme.

Kdysi v roce 1978 jsem instaloval svůj první solární systém na ohřev vody. Se solárními termickými systémy jsem pokračoval, instaloval jsem nové systémy až do vypršení daňových úlev v roce 1986 a téměř všechny místní systémy jsem udržoval v provozu ještě několik let poté. Bylo mi bolestně jasné, že pro trvanlivost a životnost každého solárně-termického systému je zásadní jednoduchost. Složité systémy prostě umírají mladé. Tehdy bylo svatým grálem solárního termického systému vymyslet systém, který by stál 1 000 dolarů – což se nikomu nepodařilo. V dnešní době můžete očekávat, že za instalovaný solární systém pro přípravu teplé vody zaplatíte 6 000 až 10 000 dolarů.

Můj přítel Martin Holladay publikoval v březnu 2012 článek s názvem „Solární termální systém je mrtvý“. Tímto článkem vyvolal velkou diskusi, včetně některých nesouhlasných názorů, a tak v prosinci 2014 vydal další článek s názvem „Solární termální energie je opravdu, ale opravdu mrtvá“. Martin se v něm zabýval cenami solárně-termické energie a porovnával je s využitím fotovoltaiky a ohřívače vody s tepelným čerpadlem ke stejnému účelu. Po provedení matematických výpočtů se ukázalo, že fotovoltaika a tepelné čerpadlo pro ohřev vody poráží solární termiku.

Často však odpověď, kterou dostanete, závisí na vašich předpokladech, a při návrhu a stavbě tohoto systému jsme se rozhodli zpochybnit některé z těchto obecně platných předpokladů. Za prvé, ohřívače vody s tepelným čerpadlem jsou natolik nové, že vlastně nevíme, jak dlouho vydrží. Za druhé, instalace systému, který sice není chráněn proti zamrznutí, ale zamrznutí ho nepoškodí, má velké výhody. To jsou důvody, proč pokračovat ve zkoumání možností, jak jednoduché solární termické systémy zprovoznit.

Projekt

Vstupuje Zak Vetter. Zak mě požádal, abych mu pomohl navrhnout a nainstalovat solární systém pro ohřev teplé vody pro jeho dům nedaleko Carmelu v Kalifornii. Jedná se o systém umístěný na střeše budovy, která kombinuje obytný prostor a obchod. Pro projekt si stanovil jednoduché cíle:

• Výrazně snížit nebo eliminovat potřebu energie mimo objekt k zajištění veškeré požadované teplé vody.
• Vytvořit systém, který bude dobře fungovat i v méně než ideálních podmínkách. To znamená, že i za zamračeného dne je většina (nebo dokonce veškerá) potřeba teplé vody pokryta solární energií shromážděnou a uloženou v systému.
• Vybudovat systém, který nevyžaduje téměř žádnou údržbu.

Nikdy jsem nepracoval s tak náročným seznamem. Při navrhování a stavbě tradičního solárně-termického systému se vychází z mnoha předpokladů, které Zakovy cíle zpochybnily. Zde jsou některé z předpokladů, ze kterých obvykle vycházíme:

• Solární energie může v nejlepším případě zajistit 75 % ohřevu vody.
• S ochranou proti zamrznutí je to u solární energie složité.
• Přehřívání je u solární energie velký problém.
• Instalace solárních tepelných systémů je složitá.
• Solárně-termické systémy potřebují každoroční údržbu.

Pravidla návrhu zahrnují také předpoklady:

• Chceme co nejúčinnější kolektory.
• Dimenzování systému na zimu způsobí přehřívání v létě.
• Paralelní potrubí shromáždí nejvíce Btu.
• Skladovací nádrže by neměly být předimenzované, protože to způsobí problémy se stagnací.
• Ochrana proti zamrznutí diktuje návrh systému.

Je jasné, že Zakovy cíle se neshodovaly se standardními předpoklady. Ale jsem rád, že se vzepřel konvencím, protože jsme nakonec postavili systém, který stojí méně a funguje lépe než jakýkoli mně známý solárně-termický systém. Systém stál něco kolem 4 000 dolarů a zajišťuje 95 % roční potřeby teplé vody Zakovy rodiny. Někdo, kdo má šikovné ruce, by stejnou práci zvládl za přibližně 3 000 dolarů, kdyby si postavil vlastní kolektory.

Kolektory

Následující úvahy nás k tomu dovedly. Chtít účinné kolektory by nás donutilo postavit složitější a dražší systém, který by zabránil zamrzání a přehřívání. Místo toho jsme tedy použili opravdu neúčinné kolektory! Jsou to jen svitky ¾palcových polyethylenových trubek pod akrylátovým zasklením (viz obrázek č. 2 níže).

Kolektory nemají žádnou izolaci, takže se nemohou přehřát a je nepravděpodobné, že by je poškodil mráz. Nejvyšší teplota, kterou jsme v létě bez průtoku vody v kolektorech naměřili, je 170°F a mnohokrát bez problémů zamrzly. Tento typ kolektorů byl testován v San Jose v Kalifornii po dobu 16 let a žádné potíže se neobjevily. V podstatě se jedná o bazénové kolektory upravené pro výrobu teplé vody pro domácnost pouhým přidáním zasklení. Vyrábí je komerčně společnost Gull Industries v San Jose v Kalifornii.

Každá spirála měří 26 čtverečních stop. Další výhodou použití „neúčinných“ kolektorů je to, že jsme eliminovali potřebu vést k nim a od nich měděné potrubí tím, že jsme místo toho vedli trubky PEX. U tradičních měděných kolektorů, které mohou na letním slunci stagnovat při teplotě až 400 °C, by se PEX trubky poměrně rychle roztavily. My jsme však mohli téměř na všechno použít polyetylénové trubky a PEX, což práci ještě více zjednodušilo (viz obrázek č. 3 níže). Systém jsme záměrně předimenzovali, aby mohl přečkat období bez slunce a rychle se zotavit, když se slunce vrátí.

Nádrž

Nádrž byla dalším hlediskem. Obvykle se u každé nádrže se skleněnou vložkou (téměř všechny ohřívače typu nádrží ve Spojených státech jsou se skleněnou vložkou) vyžaduje denní otáčení objemu nádrže, aby se zabránilo stagnaci a problémům se zápachem. Ukázalo se, že anoda, která je součástí všech nádrží se skleněnou vložkou, vytváří plynný vodík, který mají některé bakterie velmi rády. Tento problém jsme obešli instalací 105galonové nádrže Marathon od společnosti Rheem (viz obrázek č. 4 níže). Jedná se o nekovovou nádrž, která nepotřebuje anodu, takže voda nestárne ani se nekontaminuje pomalou obměnou. Výhodou takto velkého zásobníku je, že systém může dodávat teplou vodu i během dnů bez slunce.

Jednou z dalších výhod zásobníku Marathon je jeho izolace. Má 3 palce pěny a v literatuře se uvádí, že ztrácí pouze 5 °F za 24 hodin. Z našich záznamů dat vyplývá, že v naší situaci je to spíše 6-8°F, ale i tak to není špatné. Izolace byla něčím dalším, s čím jsme si hráli.

Izolace potrubí málokdy bývá opravdu silná, přesto udržení nízkých tepelných ztrát zvyšuje skutečný solární podíl a snižuje množství potřebné záložní energie. Proto jsme se rozhodli zdvojnásobit izolaci všude, kde je to možné.

Jedná se o ¾palcové potrubí PEX se dvěma vrstvami izolace, celková tloušťka stěny je 1,5 palce. Po instalaci vypadá jako jedna velká trubka.

Solární ohřívače vody jsou obvykle navrženy jako systémy s jednou nebo dvěma nádržemi. Jedna nádrž je lepší, pokud se to podaří, protože je zde méně zařízení, ze kterého se ztrácí teplo. V dnešní době to lze snadno provést pouze s elektrickou zálohou. Další věc, kterou jsme udělali, bylo odpojení spodního prvku v naší jedné nádrži a použití pouze horního prvku jako zálohy. Tím jsme zabránili tomu, aby elektrický zdroj tepla konkuroval solárnímu. Zapojili jsme ho na 120 voltů, nikoliv na 240, takže nebylo potřeba dělat nic víc než ho jen zapojit. Při polovičním napětí sice trvá ohřev čtyřikrát déle, ale Zak chtěl solární systém dobře otestovat. Systém byl nainstalován v listopadu 2014 a záložní zdroj zatím nepoužil!

Řídicí jednotka

Systém je řízen jednoduše pomocí volně prodejné solární řídicí jednotky Goldline GL-30 (viz obrázek č. 5 níže). Měří teplotu na solárním kolektoru a na dně nádrže. Porovnává je, a když je kolektor dostatečně horký, zapne čerpadlo. Regulátor má nastavení pro jemné doladění této nastavené hodnoty. Regulaci, která chrání před zamrznutím nebo přehřátím, naštěstí nepotřebujeme.

Instalace systému byla jednoduchá. Pokud se podíváme jen na dobu instalace, zabrala pouze šest člověkohodin, což je velmi rychlé. Za starých dobrých časů bývala rychlá instalace záležitostí tří chlapů a jednoho dlouhého dne, tedy asi 24 člověkohodin. Tento systém šel tak rychle z několika důvodů:

• Použili jsme PEX a polyethylenové trubky.
• Otevřené spoje jsme montovali pomocí tlačných šroubení Sharkbite.
• Výrobce kolektorů nám dodal předpřipravenou řídicí stanici.
• Kolektory jsme na střechu instalovali pouze pomocí jednoho centrálního šroubu.
• Měli jsme snadný přístup ke spodní straně střechy.
• Kolektory jsou poněkud pružné a lehké.
• Nádrž o objemu 105 galonů je lehká a snadno se přemísťuje.

Výkonnost systému

Výkonnost je zatím dobrá. Zaznamenali jsme údaje na více místech systému, abychom pochopili, jak funguje.

Pod pojmem solární podíl se rozumí, kolik procent teplé vody ohřívá slunce. Správné určení solárního podílu by zahrnovalo měření celkové spotřeby teplé vody a odečtení části ohřevu vody, kterou nezajišťuje slunce.

My jsme se místo toho rozhodli jednoduše zaznamenat, kdy je voda ohřátá sluncem dostatečně teplá na to, aby se s ní dalo sprchovat. Pokud má uskladněná voda teplotu kolem 105 °C, je vhodná ke sprchování. Když říkáme, že systém vyrábí 95 % teplé vody, znamená to, že Zak má v 95 % případů přijatelnou teplotu pro sprchování. Je to rychlý, nematematický způsob, jak obecně pochopit, jak systém funguje. Kdybychom provedli přesná měření k určení solárního podílu, byl by pravděpodobně vyšší než 95 %. Protože však považujeme cokoli pod 105 °F za nedostatečné, nebereme v úvahu vodu, která není dostatečně teplá, ale rozhodně je výrazně nad teplotou spodní vody.

Níže uvedený graf na obrázku č. 6 ukazuje systém v prvních jarních dnech, kdy systém obdivuhodně přispívá k zásobování domu teplou vodou.

Kraf na obrázku č. 7 ukazuje systém v nejhorším období. Svislé žluté sloupce představují období slunečního svitu a svislé modré sloupce představují noční dobu. Mezi 21. a 22. dnem je dokonce vidět déšť! Všimněte si však, jak pouhých několik hodin zimního slunce 23. zvyšuje teplotu v nádrži téměř o 20 °C.

Další dva grafy, zobrazené na obrázku #8, ilustrují rozdíly mezi prosincem a březnem. V těchto grafech jsme měřili výkony jednotlivých kolektorů, abychom zjistili, zda všechny čtyři poskytují užitečný výkon. Ukázalo se, že první dva kolektory shromáždily více Btu, ale každý z druhých dvou kolektorů zvýšil teplotu, takže skutečně pomohly – zejména v chladnějších obdobích roku.

Význam tohoto návrhu

Je zřejmé, že existují omezení, kde lze tento druh systému úspěšně instalovat. Pokud jsou tyto kolektory zasypány sněhem, nemusely by fungovat příliš dobře, takže by bylo rozumné vyhnout se oblastem, kde se delší dobu drží teploty pod bodem mrazu. Protože však v tomto systému není žádné kovové potrubí, vydrží i občasné mrazy. A pokud jsou hlavní motivací pro instalaci solárního systému pro přípravu teplé vody daňové úlevy, tento systém nebude vyhovovat, protože ještě není certifikován společností Solar Rating and Certification Corporation. Přesto by tento systém měl stát méně než většina ostatních systémů, a to i bez výhody daňových úlev.

Je zjevně dobré přinést nové pohledy na solární ohřev vody. Inteligentním zpochybněním starých myšlenek a použitím novějších materiálů a hardwaru – jako je nádrž Marathon, potrubí PEX a polyethylenové kolektory – nás Zak dotlačil k lepším výsledkům, než jsem věřil, že je možné.

Larry Weingarten vyrostl na kalifornském poloostrově Monterey a po většinu svého pracovního života pracoval jako živnostník. Licenci generálního dodavatele získal v roce 1982. Larry psal články o ohřevu vody a energiích do různých odborných časopisů, přednášel o těchto tématech pro PG&E, California State Parks, Affordable Comfort a další a nedávno se podílel na tvorbě DVD o těchto a souvisejících tématech. V roce 2006 dokončil stavbu off-grid domu; byl navržen tak, aby byl velmi účinný, pohodlný a levný, a stal se 13. domem, který splnil podmínky 1000 Home Challenge, soutěže ve vytváření superúčinných domů. Má rád kočky.

Zak Vetter přispěl k tomuto článku. Vyrostl rovněž na pobřeží Monterey a již více než deset let samostatně podniká v oblasti oprav a výuky o počítačích. Od roku 2008 se Zak seznamuje s rozsáhlým světem energetické účinnosti a zároveň vylepšuje svůj vlastní majetek. Solární systém na ohřev vody v tomto článku byl inspirován návštěvou Larryho off-grid domu, který ukázal, kolik je toho se solární energií možné.