Solár a tepelné čerpadlá

Slnečné kolektory:

V našich zemepisných šírkach dosahuje slnečné žiarenie, čiže suma priameho a difúzneho slnečného žiarenia, za optimálnych okolností maximálne 1000 W / m². Slnečné kolektory dokážu túto energiu zachytiť a až 75 % slnečného žiarenia premeniť na teplo.
Solárny systém zložený zo vzájomne zladených komponentov dokáže pokryť 50 až 60 % ročnej energie potrebnej na ohrev pitnej vody. V letných mesiacoch postačuje slnečná energia dokonca na to, aby zabezpečila ohrev pitnej vody v plnej miere. Vykurovací kotol sa vypína. Slnečné kolektory je možné však využiť aj na vykurovanie, ohrev bazéna a rôzne technologické účely.

Konštrukcia

Pre vyššie uvedené účely sa používajú ploché alebo vákuové trubicové kolektory. Funkčný princíp je v podstate u všetkých týchto variantov rovnaký. Slnečné žiarenie dopadá na absorbčnú vrstvu, ktorá premení podľa možnosti čo najväčší podiel tohto žiarenia na teplo. Teplonosné médium (zmes vody a nemrznúceho prípravku) ochladí absorbér a dopraví získané teplo k zásobníkovému ohrievaču vody, výmenníku tepla a pod..

Veľkosť kolektorov

V zásade by sa malo solárne zariadenie dimenzovať tak, aby v lete nedochádzalo k tvorbe prebytkov tepla. Väčšia plocha kolektorov by v ročnom priemere sotva zlepšila stupeň energetického pokrytia, pretože v letných mesiacoch by dochádzalo k tvorbe prebytkov, ktoré by nebolo možné využiť.

Orientácia solárneho zariadenia

Veľmi dôležitá pre dosiahnutie čo najvyššieho energetického príjmu kolektorov je ich správna orientácia. Azimut udáva odchýlku roviny kolektorov od južného smeru; kolektorová rovina orientovaná južným smerom znamená azimut = 0 °. Pretože cez obed má slnečné žiarenie najvyššiu intenzitu, mala by byť kolektorová rovina podľa možností orientovaná na juh. Dobré výsledky sú však dosahované i pri odchýlkach od juhu do 45 ° juhovýchodne, respektíve juhozápadne. Väčšie odchýlky je možné  ľahko vyrovnať zvýšením plochy kolektorov.

Hospodárnosť a ekológia

Pri priemernom ročnom solárnom pokrytí 60 % je možné v štvorčlennej domácnosti ročne ušetriť cca. 300 m³ plynu, čo vedie k zníženiu emisií oxidu uhličitého o viac než 600 kg ročne. I ostatné ekologicky škodlivé emisie ako SO2 a NO_x klesajú v závislosti na veľkosti solárneho pokrytia.

Tepelné čerpadlá:

Tepelné čerpadlá využívajú k vykurovaniu slnečné teplo akumulované v pôde, v spodnej vode, alebo vo vzduchu – s pomocou malého množstva pohonnej energie (prevažne elektrický prúd). Moderné tepelné čerpadlá sú tak efektívne, že ich môžeme využívať celoročne ako zdroj tepla pre vykurovanie i ohrev pitnej vody.

Princíp funkcie

Tepelné čerpadlo odoberá teplo z okolitého prostredia (pôdy, spodnej vody, vzduchu), ktoré následne povyšuje na úroveň, pri ktorej je možné toto teplo využiť k vykurovaniu obytných priestorov, alebo ohrevu pitnej vody.
Za technický štandard sú v súčasnosti považované elektrické tepelné čerpadlá, ktoré pracujú na podobnom princípe ako chladnička. Pri prijímaní tepla z okolitého prostredia vstupuje na primárnej (studenej) strane do výparníku tekuté pracovné médium s nízkym tlakom. Úroveň teploty vonkajšieho zdroja tepla prichádzajúceho na druhú stranu výparníka je vyššia ako bod varu pracovného média, takže sa pracovné médium vyparuje a pritom odoberá teplo okolitému prostrediu. Úroveň tejto teploty môže byť ale i nižšia než 0 °C.
Kompresor nasáva odparené pracovné médium z výparníka a stláča ho, pričom stúpa teplota pary (podobne ako v prípade cyklistickej pumpy pri fúkaní plášťa kolesa bicykla).

Z kompresoru sa pracovné médium vo forme pary dostáva na sekundárnej (teplej) strane do kondenzátoru, ktorý je ochladzovaný vykurovacou vodou. Teplota vykurovacej vody je nižšia než kondenzačná teplota pracovného média pri danom tlaku, takže dochádza k ochladeniu pary, ktorá pritom znovu kondenzuje.

Teplo prijaté vo výparníku i dodatočná energia privádzaná už spomínanou komprimáciou sú odovzdávané vykurovacej vode v kondenzátore. Pracovné médium je potom odvádzané do výparníku, cez expanzný ventil, v ktorom dochádza k uvoľneniu z vysokého tlaku kondenzátoru na nízky tlak výparníku a tým i k ochladeniu média. Okruh sa teda uzatvára.

Výkonové číslo

Tepelné čerpadlo predstavuje vedľa solárnej techniky a využitia dreva ako  paliva jediný vykurovací systém, ktorý umožňuje výrobu tepla pri nízkych emisiách CO₂.
Moderné, elektrickým prúdom poháňané tepelné čerpadlá získavajú asi tri štvrtiny tepla potrebného na vykurovanie z okolitého prostredia a zostatková štvrtina je dodávaná vo forme elektriny potrebnej na pohon kompresoru. Pretože je táto elektrická energia v konečnom dôsledku tiež premenená na teplo, je možné i túto energiu využiť na vykurovanie.
Z pomeru odovzdávaného tepla (vrátane tepla vznikajúceho v kompresore z elektrickej energie) a privedenej energie (odber elektriny) vyplýva výkonové číslo (v tomto prípade (3+1)/1 = 4), ktoré vyjadruje efektívnosť tepelného čerpadla.

Zdroje tepla

Zdrojom k získavaniu tepla z okolitého prostredia sú pôda, voda a vzduch. Slnečnú energiu akumulovanú v pôde môžeme využívať prostredníctvom plošných kolektorov alebo zemných sond – zvislých vrtov hlbokých až 100 m. Samozrejme je možné využívať i hlbšie vrty. Ako pracovné médium sa obvykle využíva nemrznúca zmes.
Okrem toho je možné tiež využiť teplo zo spodnej vody (zo studne). V tomto prípade sa z čerpanej studne odoberá voda, ktorá je po vychladení (získaní tepla) následne odvádzaná do vsakovacej studne.
Pri využití vzduchu ako zdroja tepla sa prívodným vzduchovým kanálom nasáva vzduch do tepelného čerpadla, kde je vychladzovaný a následne vyfukovaný von odvádzacím kanálom.
Tento princíp je možné použiť až do teploty okolitého vzduchu –20°C.

zdroj: Viessmann