Hewalex Opti-Flow – efektywny standard sterowania pracą instalacji solarnej

Funkcja Opti-Flow wprowadza pierwsze tego typu na rynku rozwiązanie w zakresie automatycznej regulacji i optymalizacji natężenia przepływu czynnika grzewczego w instalacji solarnej. Zastosowanie regulatora z funkcją Opti-Flow w sposób decydujący upraszcza i skraca prace uruchomieniowe. Zwiększenie uzysków ciepła z instalacji solarnej wyniosło w badaniach we własnym laboratorium około 10%.
Standardowa instalacja solarna w małym obiekcie jest w stanie pokryć do 60% potrzeb cieplnych dla podgrzewania wody użytkowej. Stopień pokrycia potrzeb dla ogrzewania budynku uzależniony jest m.in. od jego standardu energetycznego, wielkości instalacji solarnej i rodzaju systemu grzewczego.

W typowym wariancie sterowania pracą instalacji solarnej, prowadzony jest pomiar różnicy temperatury pomiędzy czynnikiem grzewczym na wyjściu z baterii kolektorów słonecznych, a odbiornikiem ciepła (najczęściej – podgrzewaczem ciepłej wody użytkowej). Pomiar temperatury po stronie odbioru ciepła realizowany jest poprzez czujnik w tulei zanurzonej w wodzie użytkowej lub też czujnik zabudowany w króćcu powrotu czynnika grzewczego z wężownicy podgrzewacza.

Każdy ze standardowych wariantów ma swoje ograniczenia wynikające z pomiaru temperatury w jednym punkcie odbiornika ciepła. Przy stosunkowo znacznych pojemnościach podgrzewaczy, smukłej budowie i zarazem wysokiej wężownicy grzejnej, nie ma możliwości wybrania w pełni reprezentatywnego miejsca pomiaru temperatury, względem której regulator powinien zapewnić właściwą pracę pompy obiegowej. Może to powodować przedwczesne albo opóźnione wyłączanie pompy obiegowej w instalacji solarnej. 

Stała czy zmienna wydajność pompy obiegowej?

W zdecydowanej większości małych instalacji solarnych, zastosowanie mają pompy obiegowe pracujące ze stałą wydajnością. Dostępna w niektórych regulatorach funkcja płynnej regulacji obrotów pompy obiegowej, umożliwia zmianę natężenia przepływu tylko w pewnym ograniczonym zakresie, na wybranym ręcznie stopniu pracy pompy. Zastosowanie pompy z elektroniczną regulacją obrotów podnosi z kolei znacznie koszty inwestycji. 

Potencjał zwiększenia uzysków ciepła z instalacji solarnej

Dynamiczne sterowanie pracą pompy obiegowej w instalacji solarnej pozwala zwiększyć ilość pozyskiwanego ciepła. Według szczegółowego opracowania [1], dla takiego sposobu regulacji zwiększenie uzysku ciepła może wynosić ponad 10%. Podstawowym problemem okazuje się jednak podwyższony koszt inwestycji, ze względu na zakup regulatora z rozszerzoną funkcją sterowania pracy pompy, a przy założeniu pełnego zakresu regulacji przede wszystkim – ze względu na konieczność zakupu pompy obiegowej ze sterowaniem elektronicznym. 

Funkcja Opti-Flow – nowe spojrzenie na efektywność pracy instalacji solarnej

Funkcja Opti-Flow wprowadza pierwsze tego typu na rynku rozwiązanie w zakresie automatycznej regulacji i optymalizacji natężenia przepływu czynnika grzewczego w instalacji solarnej. Zastosowanie regulatora z funkcją Opti-Flow w sposób decydujący upraszcza i skraca prace uruchomieniowe. Zwiększenie uzysków ciepła z instalacji solarnej wyniosło w badaniach we własnym laboratorium około 10 %, co jest także zgodne z szacowanymi dodatkowymi uzyskami ciepła dla dynamicznej regulacji wydajności pompy obiegowej w opracowaniu [1].

Funkcja Opti-Flow zapewnia regulację natężenia przepływu w oparciu o pełny zakres pracy pompy obiegowej, dokonując także automatycznie przełączania zakresów obrotów. Co istotne, funkcja Opti-Flow opiera się o  zastosowanie standardowej pompy z 3-stopniową regulacją obrotów – znacznie tańszej od pompy z regulacją elektroniczną. Pompa WILO 15/6-3 FSR została specjalnie przystosowana do pracy w funkcji Opti-Flow, umożliwiając automatyczną zmianę jednego z 3-ech zakresów obrotów, a w każdym z zakresów na wybór jednej z 5-ciu prędkości obrotów. Pozwala to w wysokim stopniu dostosować pracę pompy do chwilowego stanu roboczego  w instalacji solarnej (od 6% do 100%).

Zasada sterowania pracą instalacji solarnej w funkcji Opti-Flow

Standardowe układy pracują w oparciu o pomiar 2 wartości temperatury: na wyjściu z baterii kolektorów oraz temperatury ciepłej wody użytkowej w podgrzewaczu.
Funkcja Opti-Flow nadzoruje pracę instalacji solarnej standardowo w oparciu o pomiar 3 wartości temperatury. Czujniki zostały umieszczone bezpośrednio na czynniku grzewczym (glikolu) – na zasilaniu i powrocie z wężownicy grzejnej podgrzewacza. Budowa tulei zapewnia pomiar z uwzględnieniem temperatury wody użytkowej, tak aby układ regulacji pozostawał aktywny także przy braku pracy instalacji solarnej.
Pompa obiegowa jest włączana w zależności od różnicy temperatury na wyjściu z baterii kolektorów słonecznych (T1) i uśrednionej odpowiednim algorytmem temperatury wody T2 i T3 (na wężownicy). Po uruchomieniu następuje zmiana trybu pracy, a regulacja obrotów pompy oparta jest o pomiar temperatury T2 i T3 – zasilania i powrotu na wężownicy podgrzewacza.

Generalna zasada regulacji pracy instalacji solarnej w funkcji Opti-Flow opiera się na określaniu chwilowej zdolności oddawania ciepła przez wężownicę podgrzewacza wody użytkowej – poprzez pomiar temperatur T2 i T3.

Regulator utrzymuje stałą optymalnie dobraną różnicę temperatury T2 i T3 (na wężownicy). Większa ilość energii słonecznej wpływająca na wzrost temperatury T1 na wyjściu z baterii kolektorów, spowoduje wzrost wydajności pompy solarnej. Aby zapewnić jak najwyższą stabilność pracy instalacji, unikając częstych włączeń i wyłączeń, w czasie pracy pompy kontrolowana jest również różnica temperatury na wyjściu z baterii kolektorów T1 i powrotu z wężownicy T3. Pojawiające się zachmurzenie obniżające temperaturę T1 spowoduje wcześniejsze obniżenie wydajności pompy zanim nastąpi obniżenie temperatury na wejściu do wężownicy T2.

Przykładowy przebieg stanów roboczych instalacji solarnej z funkcją Opti-Flow

Przykład pracy małej instalacji solarnej pracującej dla podgrzewania wody użytkowej, w warunkach dnia ze zmiennym zachmurzeniem (13.10.2011 r., Bielsko-Biała, temperatura powietrza 2÷8^oC, brak opadów) przedstawia sytuację dla późnego popołudnia. Zmniejszone nasłonecznienie powoduje pracę pompy z wydajnością do 60%. W sytuacji spadku temperatury T1 z baterii kolektorów, poniżej powrotnej z wężownicy podgrzewacza (T1<T3), pompa była wyłączana, aby nie zachodziło „wynoszenie” ciepła z podgrzewacza. System Opti-Flow stara się wykorzystywać nawet najmniejsze dawki promieniowania słonecznego, stąd wydłużanie pracy pompy obiegowej, np. z minimalną wydajnością 6% przez okres blisko 30 minut. Jest to opłacalne, z uwagi na fakt poboru przez pompę niewielkiej ilości energii elektrycznej (około 10-krotnie mniejszej niż pozyskiwanej z kolektorów słonecznych).

Maksymalna efektywność – zwiększanie uzysków ciepła

W porównaniu do standardowych instalacji, dla niskiego nasłonecznienia funkcja Opti-Flow  zmniejsza do minimum wydajność pompy obiegowej. Wyłączenie pompy następuje dopiero w momencie, gdy różnicy temperatury T2-T3  spadnie i utrzyma się poniżej 2^oC  przez zadany programowo czas.  Pozwala to na wydłużenie czasu pracy pompy i wykorzystanie nawet niewielkich ilości ciepła wytwarzanych w kolektorach  słonecznych. Przykładowo dla różnicy temperatury 2 K i minimalnego przepływu 1,5 l/min, moc oddawana z kolektorów przekracza 200W, jednocześnie energia pobierana przez pompę to około 20 W. Ciepło kolektorów w opisanej sytuacji wydaje się być niewielkie, należy wziąć pod uwagę jednak dużą ilość czasu w ciągu roku, gdy będziemy mieli do czynienia z warunkami nasłonecznienia pozwalającymi na uzyskanie takich parametrów. 

Minimalny czas i łatwość uruchomienia instalacji

Dodatkową zaletą regulatora z funkcją Opti-Flow jest wygoda uruchomienia instalacji solarnej. Nie jest wymagana nastawa natężenia przepływu, gdyż jest ono całkowicie automatycznie ustalane w zależności od chwilowych warunków pracy instalacji solarnej – niezależnie od powierzchni i typów (sprawności) kolektorów słonecznych. Dla nastaw regulatora nie są także istotne straty ciepła wynikające z długości przewodów instalacji solarnej. Uruchomienie regulatora wymaga jedynie nastawy wymaganej temperatury wody użytkowej. 

Zapobieganie przed problemem „wynoszenia” ciepła z podgrzewacza

Zastosowanie pomiaru temperatury w dwóch miejscach wężownicy podgrzewacza, pozwala sygnalizować nieprawidłowe stany robocze instalacji solarnej. Pojawienie się w czasie pracy pompy obiegowej temperatury T3 (wyjście z wężownicy) wyższej niż T1 (bateria kolektorów) spowoduje natychmiastowe jej wyłączenie. W tradycyjnym systemie czujnik umieszczony w wodzie użytkowej, zwłaszcza przy nastawieniu niskiej różnicy temperatury uruchamiającej pompę, może powodować „wynoszenie” ciepła z podgrzewacza. Problem dotyczy standardowych podgrzewaczy, w których dolna wężownica ma dużą wysokość, a czujnik temperatury jest umieszczony w dolnej strefie (z reguły nieco powyżej dolnego króćca wężownicy).

Diagnostyka, ochrona i bezpieczeństwo

Sposób rozmieszczenia czujników temperatury w systemie Opti-Flow możemy wykorzystać do diagnozowania poprawności pracy instalacji. Utrzymująca się nadmierna różnica temperatury pomiędzy czujnikiem T2 na zasilaniu wężownicy, a T1 na wyjściu z baterii kolektorów słonecznych, jest sygnalizowana alarmem. Może świadczyć o braku wymaganego natężenia przepływu czynnika grzewczego lub zapowietrzeniu instalacji solarnej. Funkcja Opti-Flow to wobec tego nie tylko nowy standard regulacji pracy instalacji solarnej, ale także dodatkowa funkcjonalność w zakresie diagnostyki i czynności kontrolno-serwisowych. A jednocześnie klient nie ponosi zwiększonych kosztów zakupu tego rozwiązania.

Literatura:
[1] „Ertragsoptimierung thermischer Solaranlagen durch modulierte Schalttemperaturdifferenz” V.Böhringer
[2] Instrukcja montażu i uruchomienia regulatorów Hewalex G425-P01