Návrh solárního tepelného systému s glykolovým okruhem pro komerční ohřev vody

1. Kdy použít glykolový okruh

Glykolový okruh chrání pole kolektorů tím, že ve střešních kolektorech a odkrytém potrubí cirkuluje teplonosná kapalina namísto neupravené vody z projektu. Ministerstvo energetiky USA popisuje systémy nepřímého solárního ohřevu vody jako systémy, v nichž kolektory protéká nemrznoucí teplonosná kapalina a výměník tepla přenáší teplo do vody.^[2] Příručka ASHRAE pro aplikace v oblasti vytápění, ventilace a klimatizace (kapitola „Ohřev užitkové vody“) se podobně zabývá ochranou proti zamrznutí, chemickým složením kapalin a chováním při stagnaci jako rozhodnutí v oblasti systémového inženýrství, nejde o volbu dodavatele.^[9]

Konstrukci s glykolovým okruhem použijte, když alespoň jeden platí některá z těchto podmínek:

Glykolový okruh sice zvyšuje provozní nároky, ale snižuje riziko, že by jedna chladná noc nebo jeden problém s kvalitou vody poškodil kolektory, rozdělovače a střešní potrubí.

2. Propylenglykol vs. ethylenglykol – který z nich použít

Proč je použití ethylenglykolu ve většině komerčních solárních systémů omezeno

V Severní Americe se na materiály přicházející do styku s pitnou vodou vztahuje certifikace NSF/ANSI 61 – a ethylenglykol tuto certifikaci nesplňuje z důvodu toxicity, takže jakýkoli komerční solární systém, u kterého existuje byť jen minimální riziko křížové kontaminace (jednostěnný výměník tepla, společná stěna zásobníku atd.), musí používat propylen.^[9] V Evropě platí podobná omezení podle směrnic EU o pitné vodě. V Číně tento přístup odrážejí normy GB/T. Výsledek: propylen je jediná bezpečná výchozí volba pro komerční instalace teplovodních systémů, a to bez ohledu na region.

Pravidlo SOLETKS pro pole: pro komerční systémy na ohřev vody, propylenglykol je výchozí volba. Ethylenglykol používejte pouze pro průmyslové procesní ohřevy s ověřeným oddělením od pitné vody a pouze tam, kde to místní předpisy výslovně povolují. Všechny čtyři zmíněné projekty SOLETKS (APEC Peking, Harz v Německu, Saga v Tibetu, Tianjin PVT) používají propylen glykol.

3. Koncentrace glykolu podle klimatického pásma

Tento tabulka koncentrací je základem návrhu glykolových směsí. Příliš zředěná směs → zamrzá. Příliš koncentrovaná směs → snížení viskozity, zrychlení oxidace, vyšší náklady.

Pravidlo bezpečnostní rezervy: Je třeba uvést koncentraci glykolu, aby bod tuhnutí je nejméně o 5–8 °C nižší než minimální návrhová hodnota pro tento objekt, která odpovídá 1-in-10-year. Teplota ochrany proti prasknutí je ještě nižší – směsi vody a glykolu mohou přecházet do kašovitého stavu, aniž by došlo k prasknutí potrubí, a proto je teplota “ochrany proti prasknutí” obvykle o 10 °C nižší než bod mrazu.

Skutečné zaměření projektu SOLETKS

Terénní pozorování (okres Saga, Tibet, 2019): v nadmořské výšce přes 4 000 m, atmosférický tlak činí přibližně 60% na úrovni mořské hladiny, což snižuje bod varu kapaliny. Konstrukce počítala s vyšším tlakem při plnění za studena (1,8 baru oproti obvyklým 1,2 baru) a vyšší koncentrace glykolu. Lekce: Nikdy nepřevádějte návrh systému s glykolem určený pro úroveň moře na lokality ve vysokých nadmořských výškách – mění se totiž jak bod tuhnutí, tak i tlakové poměry. Dlouhodobá data z terénu získaná institutem Fraunhofer ISE potvrzují, že nadmořská výška a stagnace patří mezi hlavní proměnné, které ovlivňují skutečnou životnost glykolu v praxi.^[10]

4. Výpočet objemu smyčky

První projektový výpočet by měl odhadnout objem okruhu, protože na tom závisí velikost vyrovnávací nádrže, množství plnicí kapaliny, provozní náklady a uspořádání čerpací stanice.

Poznámka ke zdroji: Jedná se o orientační výpočet; pro konečné hodnoty je nutné použít údaje výrobce kolektoru týkající se vnitřního objemu, rozměrů potrubí, armatur, výměníku tepla a čerpací stanice.^[1]

Příklad zadání

Vzorec

Objem okruhu = objem sběrače + objem potrubí + objem komponentů
Objem náplně = objem okruhu × (1 + rezerva)

Nahrazení

Objem potrubí  = 48 × 0,31 = 14,9 l
Objem smyčky  = 28 + 14,9 + 9 = 51,9 l
Objem náplně  = 51,9 × 1,10 = 57,1 l

Doporučení: uvedete alespoň 58 litrů připravené teplonosné kapaliny pro tento okruh. Poté vypočítejte velikost vyrovnávací nádrže na základě celkového objemu kapaliny, statické výšky, tlaku při plnění za studena, maximální teploty okruhu a nastavení pojistného ventilu. Pokud je v místě instalace 2 střešní zóny s různými výškami, před objednáním čerpací stanice vypočítejte statický tlak pro každou zónu.

5. Rozhodovací strom pro návrh glykolového okruhu

[Začátek: známá poloha projektu + minimální teplota pro zamrznutí konstrukce]
 │
 ▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. Je vyžadována hranice pro pitnou vodu? │
└──────────────────────────────────────────────────┘
 │
 ├─ Ano → MUSÍ se použít PROPYLENGLYKOL
 └─ Ne (průmyslový proces)
 └─ Propylen NEBO ethylen (zkontrolujte místní předpisy)
 │
 ▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 2. Vyberte koncentraci podle klimatického pásma │
└──────────────────────────────────────────────────┘
 │
        ├─ 0 až −5 °C    → 25–30%
 ├─ −5 až −15 °C  → 35–40%
        ├─ −15 až −25 °C → 40–45%
 └─  2 000 m? │
└──────────────────────────────────────────────────┘
 │
        ├─ Ano → PŘIDAT snížení výkonu v závislosti na nadmořské výšce:
 │ • Tlak při plnění za studena +0,3–0,6 bar
 │ • Ověřit varnou rezervu
 │ • Zvážit vyšší koncentraci
 │
 └─ Ne → Standardní návrh pro úroveň moře je v pořádku
        │
 ▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 4. Vypočítat objem okruhu + expanzní nádrž │
└──────────────────────────────────────────────────┘
        │
 ├─ Sběrače + potrubí + výměník tepla + čerpací stanice
 ├─ +10% rezerva na naplnění
 └─ Expanzní nádrž = objem okruhu × expanze %
 + bezpečnostní rezerva
 │
 ▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 5. Ověřte výkon čerpadla s ohledem na viskozitu glykolu │
└──────────────────────────────────────────────────┘
        │
 ├─ Průtoková křivka pouze pro vodu → PŘIDAT korekci tlakové ztráty glykolu
 └─ V případě potřeby znovu vyberte výtlačnou křivku čerpadla
 │
 ▼
 [Výstup: typ kapaliny + koncentrace + objemy + specifikace čerpadla]

Pravidlo služby: nikdy si neobjednávejte glykol bez současně ověření koncentrace, celkového objemu smyčky a předplnění expanzní nádrže. Tyto tři hodnoty spolu souvisejí – změníte-li jednu, je třeba znovu zkontrolovat i ty ostatní dvě.

6. Expanzní nádrž a tlaková logika

Expanzní nádrž chrání uzavřený okruh před roztažením glykolu při provozu za vysokých teplot. Pokud je nádrž příliš malá nebo nesprávně předplněná, tlak stoupne, pojistný ventil se otevře a z okruhu unikne kapalina. Pokud je tlak na střeše příliš nízký, vnikne dovnitř vzduch nebo se zvýší riziko varu.

Proč je expanzní nádrž z mechanického hlediska důležitá

Glykol se roztahuje, protože hustota kapaliny se mění s teplotou. Tento nárůst objemu vyvíjí tlak na uzavřený okruh, což vede k otevření přetlakového ventilu, pokud to expanzní nádrž nedokáže kompenzovat. Systém, z něhož po horkých slunečných dnech uniká kapalina, má obvykle problém s roztažností nebo stagnací – nejde o problém s plochou kolektorů.

Příklad z praxe (hotel, kde se konal summit APEC, Peking, 2014): Během prvního horkého letního období provozu došlo k poklesu předplnění expanzní nádrže z 1,5 baru (specifikace pro plnění za studena) na 1,1 baru (naměřeno při následující údržbě). V nejteplejší den tlak v okruhu krátce překročil 4 bary a otevřel se přetlakový ventil, čímž došlo ke ztrátě přibližně 4 l glykolu. Problém se vyřešil jediným 30minutovým resetem předplnění – pokud by však tento zásah nebyl proveden i v další sezóně, opakované otevření přetlakového ventilu by vedlo k vyprázdnění okruhu. Lekce: zaznamenat předběžné nabití expanzního ventilu při každý roční servis.

Podrobné informace o dimenzování čerpací stanice a vyrovnávací nádrže najdete v Dimenzování solární tepelné čerpací stanice a expanzní nádrže.

7. Ochrana proti stagnaci a přehřátí

Zastavení K tomu dochází, když kolektory přijímají sluneční záření, ale okruh nedokáže odvádět teplo do akumulátoru. Příčiny:

• Plné nádrže
• Výpadek proudu
• Porucha čerpadla
• Uzavřené ventily
• Vypnutí regulátoru při překročení horní mezní hodnoty

Stagnace způsobuje přehřátí glykolu, což urychluje oxidaci a zkracuje životnost kapaliny. Případ kostela v Harzu z roku 2024 je typickým příkladem:

Případ z praxe (kostel v Harzu, Německo – bohoslužba v roce 2024): Při plánované šestidenní opravě střechy v červenci zůstaly uzavírací ventily uzavřené, aniž by došlo k částečnému vypuštění pole kolektorů. Během těchto šesti dnů došlo k několika případům stagnace. Při následující roční údržbě:

| Měření | Před událostí | Po události | Opatření |

| — | :—: | :—: | — |

| pH | 8,4 | 7.1 | Pod minimálním množstvím dodavatele |

| Barva | Světle žlutá | Tmavý jantar | Viditelná oxidace |

| Kal v sítku | Žádný | Viditelné | Potvrzuje rozklad |

| Bod tuhnutí | −18 °C | −16 °C | Přijatelné |

Kapalina splňovala specifikace pro ochranu proti zamrznutí, ale mimo chemické specifikace. Oprava: úplné vypuštění, propláchnutí systému, doplnění nové směsi 40% PG. Náklady: ~600 EUR za materiál + 4 hodiny práce. Lekce: V létě při plánovaných odstávkách trvajících déle než 48 hodin vždy částečně vypusťte nebo zastíňte kolektory., NEBO nainstalujte kolektor odolný proti stagnaci.

Pravidla pro ochranu před stagnací

• Přidat řízení horní mezní hodnoty takže čerpadlo se zastaví dříve, než hladina v nádrži překročí stanovený limit.
• Přidat expanzní nádrž který zvládá objemové změny při vysokých teplotách.
• Udržujte uzavírací ventily otevřít během provozu; jasně označte pracovní pozice.
• Zaznamenat případy stagnace v záznamu o údržbě.
• Zkušební kapalina po první sezóně s vysokými teplotami a po každém opakovaném přehřátí.

Poznámka o stagnaci týkající se PVT

Systémy PVT (fotovoltaicko-termální) mají nižší horní hranice teploty stagnace (obvykle ~80 °C, oproti >130 °C u čistě tepelných plochých kolektorů), protože fotovoltaické články se při vysokých teplotách opotřebovávají. Zařízení PVT Pro+ u školy v Tianjinu (2024, 3 000 m²) využívá 35% PG s inteligentním řízením zátěže při vykládání takže pole kolektoru nikdy nedosáhne teplot, které by mohly způsobit poškození. Dobrá zpráva: nižší teploty stagnace znamenají oxidace glykolu probíhá pomaleji u fotovoltaických systémů než u čistě tepelných systémů – typická životnost PG dosahuje 6–10 let oproti 3–5 letům, které jsou běžnější u plochých deskových systémů určených výhradně k výrobě tepla, u nichž docházelo ke stagnaci.

8. Účinky čerpadla a výměníku tepla

Glykol mění provozní podmínky čerpadla, protože glykolové směsi mají obvykle jinou viskozitu a tepelnou kapacitu než voda. Při výpočtu čerpadla určeného pouze pro vodu může dojít k podhodnocení tlakové ztráty o 20–40% při koncentraci PG 40%.

Řetězec příčin a následků, na který by si měli kupující dávat pozor:

Vyšší viskozita (glykol)
 ↓
Vyšší tlaková ztráta
 ↓
Čerpadlo s nedostatečným výkonem → pokles průtoku v okruhu
 ↓
Pokles průtoku v okruhu → nárůst teploty na výstupu z kolektoru
 ↓
Vyšší teplota kolektoru → větší tepelné ztráty do okolí
 ↓
Vyšší teplota + nižší průtok → glykol se rychleji oxiduje
 ↓
Stárnutí glykolu → usazeniny → ucpání filtru → průtok klesá ještě více

Slabý průtok má negativní dopad jak na výkon, tak na životnost kapaliny. Právě proto dochází k hromadným poruchám poddimenzovaných čerpadel v glykolových okruzích – příznaky se objevují až ve 3. až 4. roce, nikoli v 1. roce.

Korekční koeficient pro dimenzování čerpadla (praktické pravidlo)

Tuto opravu vždy proveďte na nejnižší předpokládaná provozní teplota — viskozita glykolu prudce stoupá při ochlazování kapaliny.

Úplné rozměrové dimenzování výměníku tepla najdete v Dimenzování solárního výměníku tepla pro uzavřený okruh teplé vody.

9. Matice životního cyklu a údržby kapalin

Náklady na glykolový okruh by se měly porovnávat po celou dobu životnosti – nikoli pouze na základě počáteční pořizovací ceny.

Poznámka ke zdroji: Níže uvedené rozsahy představují hodnoty pro plánování nákupu; konečné mezní hodnoty vyplývají z požadavků dodavatele kapaliny, místních předpisů a provozní teploty daného zařízení.

Úplný postup údržby najdete v Plán údržby a provozu komerčních solárních tepelných systémů.

10. Normy a dokumentace

Při zadávání zakázky na glykolové smyčky by měly být uvedeny: základ pro zkoušky sběrače, hranice řídicího panelu, systém kvality, tlaková zařízení, hranice pro pitnou vodu a certifikační požadavky.

11. Údaje pro žádost o nabídku (RFQ) pro SOLETKS

Požádejte o technickou podporu prostřednictvím Kontaktní stránka SOLETKS když je třeba společně vybrat glykolový okruh, výměník tepla, zásobník a záložní zdroj tepla.

Podnebí + lokalita

• Město a země projektu
• Minimální návrhová venkovní teplota
• Nadmořská výška lokality (m) — povinné, pokud je nadmořská výška vyšší než 2 000 m
• Výška střechy nad čerpací stanicí

Hardware smyčky

• Typ sběrače, počet, vnitřní objem
• Délka trubky + jmenovitý průměr
• Preference typu výměníku tepla (deskový / spirálový / trubkový)
• Umístění čerpací stanice

Specifikace kapaliny

• Preferovaný typ kapaliny (propylen / ethylen) — výchozí nastavení: propylen
• Cílová teplota ochrany proti zamrznutí
• Maximální přípustná teplota smyčky

Dodržování předpisů

• Požadované normy: ISO 9806, Solar Keymark, UL 508A, ASME BPVC, NSF/ANSI 61 nebo místní předpisy
• Plán údržby: vlastní servis, servis poskytovaný distributorem nebo roční smlouva s externím dodavatelem

12. Kontrolní seznam specifikací

Před schválením glykolového okruhu použijte tento kontrolní seznam:

13. Související články

Pokračování v tématu „Clustery v uzavřené smyčce“:

• Komerční přímé vs. nepřímé solární vytápěcí systémy
• Dimenzování solárního výměníku tepla pro uzavřený okruh teplé vody
• Dimenzování solární tepelné čerpací stanice a expanzní nádrže
• Plán údržby a provozu komerčních solárních tepelných systémů
• Dimenzování komerčních solárních zásobníků teplé vody
• Solární kolektory pro ohřev vody
• Solární panely PVT s tepelným čerpadlem

Často kladené otázky

Proč se v solárním tepelném systému používá glykol?

Glykol se používá k ochraně sběrného okruhu před zamrznutím a k oddělení střešního zařízení od vody v projektu. Jeho použití je povinné, pokud venkovní návrhová teplota dosáhne +5 °C nebo méně, pokud střešní potrubí nemůže spolehlivě odtékat, nebo pokud je vyžadováno oddělení od pitné vody.^[2]

Propylenglykol nebo ethylenglykol – který z nich je vhodnější pro komerční solární systémy?

Propylenglykol je standardem pro komerční solární systémy na ohřev vody, protože je netoxický a je povolen v blízkosti rozvodů pitné vody. Použití ethylenglykolu je omezeno normou NSF/ANSI 61 a předpisy EU pro pitnou vodu – jakýkoli systém, u kterého existuje byť jen minimální možnost křížové kontaminace (jednostěnný výměník tepla, společná stěna zásobníku), musí používat propylenglykol. Všechny čtyři zmíněné projekty SOLETKS (APEC Peking, Harz v Německu, Saga v Tibetu, Tianjin PVT) používají propylenglykol.

Jakou koncentraci bych měl použít pro mé klimatické podmínky?

Koncentrace je nastavena tak, aby bod tuhnutí ležel o 5–8 °C méně minimální návrhová hodnota pro danou lokalitu, která odpovídá události s pravděpodobností 1 za 10 let. Přibližné rozsahy: 25–30% pro pobřežní oblasti Středozemního moře (0 až −5 °C), 35–40% pro Peking / střední Německo (−5 až −15 °C), 40–45% pro lokality na severu kontinentu (−15 až −25 °C) a 45–50% pro alpské a náhorní lokality (< −25 °C).

Ovlivňuje nadmořská výška konstrukci glykolu?

Ano. Ve výšce nad 2 000 m nad mořem atmosférický tlak výrazně klesá, což snižuje bod varu kapalin. V závodě v okrese Saga v Tibetu (nad 4 000 m) se používalo ~50% propylen + tlak při plnění za studena 1,8 baru namísto obvyklých 1,2 baru – v závislosti na nadmořské výšce je třeba přepočítat jak bod tuhnutí, tak logiku tlaku.

Jaký interval testování glykolu je vhodný pro komerční systémy?

A 12měsíční interval je vhodný pro běžné komerční solární termální systémy. Zaznamenejte hodnotu pH, bod tuhnutí, tlak, barvu, zápach a obsah vzduchu. Přidejte 6 měsíců sezónní zkouška v případě, že na daném místě hrozí vysoké riziko stagnace, jsou zde náročné provozní podmínky nebo se jedná o provoz, u něhož je kritické zamrznutí.

Co se stane, když se glykol při stagnaci přehřeje?

Přehřátý glykol se oxiduje rychleji, čímž klesá hodnota pH a vznikají kyselé vedlejší produkty nebo kal. V kostele v Harzu kleslo pH z 8,4 na 7,1 po jediném šestidenním období stagnace v červenci 2024 — i když bod tuhnutí zůstal v přijatelném rozmezí. Kal ucpává filtry a výměníky tepla, čímž vzniká zpětná vazba, při níž snížený průtok urychluje další oxidaci.

Jak často je třeba vyměnit glykol?

Typical replacement is 3-5 let in systems with no stagnation events, extending to 5–8 let in well-maintained loops with no overheat history. PVT systems often extend to 6–10 years because the lower stagnation temperature ceiling slows glycol oxidation. Annual pH testing is the cheapest way to track when replacement is due.

Can I mix old and new glycol?

Generally ne. Mixing partially degraded fluid with fresh glycol shortens the new charge’s life because residual acids, sludge, and depleted inhibitors transfer into the new mixture. The correct procedure is: drain, flush, refill with new fluid of the documented type and concentration. If a top-up is needed mid-life (small fluid loss from a relief event), use the same brand and concentration and re-test pH within 30 days. Never mix propylene with ethylene, and never mix automotive antifreeze (which contains silicate inhibitors that destroy solar systems) with solar-grade glycol.

How much does a glycol fill cost for a commercial system?

A 58 L commercial loop fill at 40% PG concentration typically costs 150–400 USD in fluid alone (regional variation). Replacement cost is dominated by labor + flushing, not fluid — typically 600–1,500 USD per service for a small commercial system. Avoiding stagnation extends replacement interval and is the most cost-effective control.

What data is needed for a glycol-loop quote?

Site minimum temperature, altitude (if > 2,000 m), collector count, pipe length, roof height, loop volume, storage tank volume, heat exchanger duty, pump location, pressure limit, and service plan. Without those values, the expansion tank and pump station cannot be selected reliably.

Is glycol-loop design different for PVT (photovoltaic-thermal) systems?

Yes. PVT systems have a nižší horní hranice teploty stagnace (~80 °C vs >130 °C for thermal-only collectors), so glycol oxidation is slower and fluid life is typically 6–10 years instead of 3–5. PVT loops also need tighter approach temperatures on the heat exchanger (3–5 °C) to keep collector temperatures low and protect the photovoltaic cells. The Tianjin school PVT Pro+ plant (2024) uses 35% PG with intelligent dump-load control. See Solární panely PVT s tepelným čerpadlem.