Zásady navrhování a provozování solárních systémů v horských oblastech

V horských oblastech (míněno české hory) existují jiné klimatické poměry než v nížinách. V některých ročních obdobích proti nížinám horší, v některých naopak lepší. Běžně se respektují ve stavitelství a je zapotřebí s nimi počítat i při návrhu a provozování solárních systémů.

Klimatické poměry proti nížinám horší

• nižší teplota vzduchu (větší mrazy);
• vyšší sněhová pokrývka i ledová vrstva (po delší období);
• vyšší rychlost větru (až vichřice);
• při holomrazech promrzání zeminy do větší hloubky (vodovody);
• větší vlhkost vzduchu v létě (z vlhkého vzduchu oblaka);
• menší počet hodin přímého slunečního svitu v létě (větší oblačnost);
• menší objemová hmotnost vzduchu (nadmořská výška);
• vyšší roční dešťové srážky (větší oblačnost).

Klimatické poměry proti nížinám lepší

• minimální vlhkost vzduchu v zimě (vlhkost vymrzává);
• větší počet hodin přímého slunečního svitu v zimě (v nížinách inverze);
• vyšší teplota vzduchu při slunečném počasí v zimě (v nížinách oblačno);
• menší znečištění atmosféry (přírodní krajina);
• odraz slunečního záření od sněhu (albedo).

Klimatické poměry pro kolektory na horách
Pro sluneční kolektory je v zimě nepříznivá větší sněhová pokrývka, nižší teplota vzduchu, vyšší tlačný i sací účinek větru, v létě oblačnost. Příznivější je naopak v zimě větší zisk slunečního záření proti nížinám. Při nízkých dráhách slunce na obloze a krátkých dnech je zimní zisk žádoucí, ale z pohledu celoročního zisku sluneční energie na horách nepříliš významný.

Fototermální kolektory

Sluneční fototermální kolektory využívají skleníkový efekt a dělí se na ploché, ploché vakuové nebo trubicové vakuové. V horských oblastech se nejčastěji používají pro bytovou výstavbu nebo pro objekty služeb, tj. penziony a hotely. Vzhledem k nižší teplotě vzduchu se doporučují oba typy vakuových kolektorů. Ideálním produktem je celoroční příprava (předehřev) teplé vody (TV). Zatímco u bytových staveb je potřeba TV celoročně stálá, u hotelů je poplatná potřebám turistiky - maximální v zimě, menší v létě a mizivá na jaře a na podzim. V takovém případě je žádoucí navrhnout upravenou solární koncepci, aby přebytky tepla při ohřátém ohřívači TV nebyly využívány, respektive mařeny přehříváním kolektorů, ale temperovaly, nebo dokonce vytápěly některé obývané místnosti (byt správce, recepce, kuchyň, severní pokoje apod.), případně byly akumulovány do vnitřního bazénu.
Umístění kolektorů může být buď na šikmých jižních střechách, na fasádách nebo na terénu. Na šikmých střechách, přestože sníh z plochých kolektorů sjíždí nebo při již slabém slunečním svitu taje, mohou být při silném spadu sněhu zcela zasněženy. Na vakuových kolektorech sníh netaje a mohou být zasněženy delší dobu (až do oblevy). Je proto zapotřebí zvolit větší sklon (překážka pro zachytávání dalšího sněhu za nimi) nebo zajistit přístup pro ruční odklízení sněhu (nebezpečí uklouznutí, úrazu).
Umístění na fasádě je žádoucí, protože kolektory nemohou být zasněženy, rampouchy se na jižní fasádě vyskytují minimálně. Svislá poloha upřednostňuje větší zisk sluneční energie spolu s odrazem slunečních paprsků od sněhu v zimě a přirozeně snižuje tepelné přebytky v létě. Kolektory na terénu jsou dokonale přístupné pro údržbu. Mohou být kvůli sněhu skloněny pod větším úhlem (sníh sjíždí samočinně a může být odstraňován bezpečně i ručně) a využívají též účinky albeda. Nevýhodou je možnost poškození nezodpovědnými návštěvníky nebo krádež (barevné kovy).
Všechny tři varianty umístění kolektorů mohou být ovlivněny (i nepovoleny) umístěním objektu v CHKO, národním parku nebo jinak chráněném území.

Fotovoltaické panely

Sluneční fotovoltaické panely nevyužívají skleníkový efekt a jsou pouze ploché. Horské klimatické podmínky jim tolik nevadí, nesmí však být zasněženy. Jejich produktem je stejnosměrný proud, který se v měniči napětí přeměňuje na střídavý proud o stejných parametrech, jaké jsou ve veřejné síti. Účinnost přeměny slunečního záření na elektřinu je několikrát nižší než účinnost přeměny na teplo. Proto se nejčastěji menší počet panelů používá v tzv. ostrovním provozu (veškerý proud se s pomocí ostrovního měniče napětí zcela spotřebuje v objektu) pro akumulaci elektřiny do akumulátorů a následné noční osvětlení, přes den i pro radiopřijímače, televizory, chladničky, počítače, drobné elektrické spotřebiče apod.
Další technickou koncepcí vhodnou pro větší pole fotovoltaických panelů je dodávka nadbytečně vyrobeného proudu do veřejné sítě. Za proud dodaný do veřejné sítě dostane majitel panelů zaplaceno. Zde je již nutno použít síťový měnič napětí, který musí být neustále spojen s veřejnou sítí, aby se sfázoval kmitočet. Síťový měnič napětí může být použit i pro menší počet panelů. Měniče napětí lze umísťovat do venkovního (pod fotovoltaické panely) i do vnitřního prostředí. Jejich konstrukce umožňuje bezproblémový provoz ve velkém teplotním rozsahu -20 až +60 °C. Krytí IP65 zajišťuje jeho odolnost ve venkovním prostředí. Měniče jsou odolné proti rušení a samy žádné rušivé signály nevyzařují. Transformátorové verze garantují úplné galvanické odpojení při výpadku sítě. Protože je řada horských objektů energeticky závislá pouze na elektrické energii, mohou být její centrální výpadky částečně nahrazeny fotovoltaickými panely - doslova vlastní malou elektrárnou. Ta může zajistit např. provoz kotle na dřevo i nucenou cirkulaci otopné vody, což by jinak znamenalo topení v lokálních topidlech s větším nebezpečím požáru nebo čekání ve vychládajícím objektu na obnovení dodávky elektřiny.

Problematika stávajících staveb

U nových staveb nevznikají problémy, se kterými se setkáváme u stávajících budov. Např. životnost kolektorů i panelů je dnes cca 25 let. Dají se tedy položit na novou nebo nově opravenou střechu. Úsporné řešení pokládky na poškozenou střechu znamená, že se zařízení musí postupně různě demontovat nebo zcela sejmout a znovu položit až po generální opravě střechy. Vícenáklady jdou na vrub doby návratnosti.
Přestože jsou střechy horských budov dimenzovány na velký příval sněhu, kapalinové kolektory znamenají další malé přitížení (podle rozložení na střeše cca 25 nebo 50 kg/m2). U střech je žádoucí, aby přitížení posoudil autorizovaný statik.
Problematické může být vedení potrubí (nebo kabelů) mezi střechou a suterénem. Řeší se různě schodištěm, starými komíny, v některých případech i energeticky nevhodným vedením po fasádě, kde vznikají vyšší tepelné ztráty. Akumulace sluneční energie vyžaduje další solární ohřívače TV nebo akumulátory otopné vody. Jejich doprava malými dveřními zárubněmi po úzkých schodištích a úzkými chodbami může investora od realizace odradit. Otevření venkovní montážní jámy a probourání montážního otvoru do suterénu investici rovněž zdražuje. Řešením je svaření atypických tlakových i beztlakových nádob na místě s atestací nebo vybudování vytápěného přístavku, což je opět dražší.

Letní vzhled Luční boudy, fotomontáž - návrh 1996

Ukázka projektového řešení - Luční bouda

Luční bouda v Krkonoších, nejvýše položená horská bouda v ČR se 300 lůžky a 400 místy v restauraci, je všeobecně známá. Zisk z poskytovaných služeb však není tak velký, aby pokryl provozní náklady a umožnil modernizaci provozů. Jejím jediným energetickým zdrojem je elektrický kabel z Pece pod Sněžkou.
Podle údajů z roku 1996 je vytápění řešeno noční akumulací elektrické energie ?do vody? v ležatých zásobnících o objemu 4x25 000 l, které jsou ohřívány na 90 oC (teplotní spád ÚT je 80/60 oC). TV je připravována též centrálně ve 2 ohřívačích po 2500 l a 2 ohřívačích po 4000 l. Maximální instalovaný výkon celé boudy je 650 kW, spotřeba elektrické energie v roce 1995 činila 1,15 GWh.
Které obnovitelné zdroje energie se daly využít? Vzhledem k extrémním klimatickým podmínkám (vítr, mráz, sníh, námraza, teplotní šoky, UV záření, avšak min. znečištění atmosféry a další omezení, např. letecká doprava - klamavá světla od střešních kolektorů) bylo navrženo řešení, které přináší nejen výrobu energie, ale i další energetické úspory (teplo).
Po vyhodnocení byly zvoleny fotovoltaické panely. Na orientačně, zeměpisně vyhovující (nikoliv však čisté) východní, jižní a západní fasádě bylo navrženo maximálně 575 m2 fotovoltaických panelů. Při jejich montáži se současně z jediného lešení provede údržba fasády, její zateplení a údržba, event. výměna oken. Panely tedy budou uloženy na novém zateplení. Dalším kladem řešení je využití odrazu slunečního záření od sněhových plání od Památníku obětem hor - albedo terénu - a větší počet hodin slunečního svitu (v listopadu až lednu) oproti nížinám. Další energetický zisk přinese zasklení velké jižní lodžie.
Z hlediska mimořádné námrazy na západní fasádě zde nebudou panely o max. ploše 120 m2 osazeny a v dalším řešení s nimi není počítáno.
Vyrobená elektrická energie nebude napojena na vnitřní světelný i motorový rozvod, ale bude zcela sólově přes den a po celý rok využita v zimě pro ohřívače ÚT a v létě pro ohřívače TV. Využití bude ve všech případech ?předehřev?, úspora elektrické energie vychází z následného energeticky méně náročného ?dohřevu?.

Název boudy mezi fotovoltaickými panely, fotomontáž - návrhy 1996

Technické údaje

Panely pod i mezi okny: 455 m2
Zasklení lodžie: 120 m2

Energ. zisk bez tepelné izolace, ale se zasklením lodžie: 68,9 MWh/rok
Podíl k odebrané el. energii 1995: 6 %
Náklady vč. lodžie k 1996: 15,4 mil. Kč

Energ. zisk z tepelné izolace: 45 MWh/rok
Celkový energ. zisk: 113,9 MWh/rok
Podíl k odebrané el. energii 1995: 10 %
Celkové náklady: nestanoveny

Závěr

Účinnost slunečních kolektorů i fotovoltaických článků a sériovost výroby neřekly ještě poslední slovo. Neustálý růst cen paliv a energií, vytěžování fosilních paliv i negativní působení skleníkového efektu rozvoji obnovitelných zdrojů energie jen nahrávají. Vhodné horské objekty by měly být vybaveny těmito novými obnovitelnými zdroji energie již dnes, u těch projektovaných se doporučuje rovněž okamžité využití nebo taková příprava stavby, aby se jejich pozdější montáž mohla provést co nejlaciněji, s co nejmenším stavebním zásahem. Praxí ověřená úspora energie pro přípravu TV se v našich zeměpisných podmínkách u slunečních fototermálních kolektorů pohybuje kolem 2/3. Solární přitápění uspoří cca 1/3 nákladů. V letním období ušetří velké náklady ohřívání vnitřního bazénu. To už v současném nevyrovnaném energetickém období s předpokladem neustálého růstu cen paliv a energie stojí za to.