Kolektory słoneczne do c.w.u. wracają do łask?

Gwałtowny wzrost cen nośników energii sprawił, iż w ostatnim czasie wzrosło zainteresowanie systemami wykorzystującymi energię odnawialną, w tym kolektorami słonecznymi. W związku z tym w artykule zebrano najważniejsze informacje przydatne na etapie opracowania koncepcji instalacji kolektorów słonecznych wspomagającej przygotowanie ciepłej wody użytkowej.

Elementy składowe instalacji

Główne elementy składowe typowej instalacji z kolektorami słonecznymi to prócz samych kolektorów również:

• zasobnik ciepłej wody z dwoma wężownicami lub wężownicą i grzałką szczytową,
• grupa pompowa,
• naczynie wzbiorcze,
• ewentualne naczynie wstępne, schładzające,
• sterownik,
• termostatyczny zawór mieszający,
• rury oraz izolacja termiczna.

Prawidłowy dobór każdego z tych elementów ma wpływ na poprawność i efektywność pracy systemu. Proces ten można podzielić na poszczególne etapy, które zostaną omówione w kolejnych częściach artykułu.

Zbieranie informacji niezbędnych do przygotowania koncepcji

W celu opracowania koncepcji instalacji z kolektorami słonecznymi musimy w pierwszej kolejności zebrać informacje na temat potrzeb energetycznych, a z drugiej strony – o dostępnej przestrzeni montażowej.
Najważniejsze informacje, jakie powinniśmy ustalić to:

• dobowe zużycie ciepłej wody;
• profil poboru ciepłej wody, informacje te są niezbędne w szczególności dla większych budynków niemieszkalnych. Informacja o okresowych przerwach w poborze ciepłej wody pozwoli wybrać odpowiednią pojemność zasobnika c.w.u. czy zbiornika buforowego;
• planowane miejsce montażu kolektorów, wymiary tej powierzchni oraz orientacja i kąt nachylenia, jeśli jest to dach spadzisty;
• w przypadku dachu ważny jest również rodzaj pokrycia w celu wybrania odpowiedniego rodzaju uchwytów/wsporników;
• ewentualne przeszkody, które mogłyby okresowo zacieniać kolektory;
• wysokość miejsca montażu kolektorów w stosunku do zasobników;
• rodzaj szczytowego źródła ciepła, np. kocioł gazowy, olejowy, pompa ciepła.

Ustalenie wymaganej powierzchni kolektorów

Optymalnym rozwiązaniem jest zastosowanie takiej liczby kolektorów, która w letni dzień pozyska ilość energii zbliżoną do dobowego zużycia energii na potrzeby podgrzewania wody użytkowej. Dzięki temu unikniemy częstych przypadków nagrzewania się kolektorów do wysokiej temperatury. Uzyskujemy wówczas wysoki stopień wykorzystania kolektorów i redukujemy ryzyko ewentualnego, częstego przechodzenia systemu w stagnację oraz przegrzewania glikolu.
Najkorzystniejszym rozwiązaniem jest skorzystanie na tym etapie z profesjonalnego programu symulacyjnego, np. T-Sol, Polysun, getSOLAR itp. Po wprowadzeniu do programu informacji o zużyciu wody oraz profilu jej konsumpcji i warunkach montażu kolektorów będziemy mogli ustalić, jaka powierzchnia, a przez to i liczba kolektorów zapewni odpowiednią ilość energii. Pomocnym kryterium jest w tym przypadku wybór takiej liczby kolektorów, która zapewni pokrycie rocznych potrzeb energetycznych w zakresie przygotowania c.w.u. na poziomie 50-60% dla budynków jednorodzinnych, a około 40% dla budynków wielorodzinnych. Wybór większej liczby kolektorów, w celu uzyskania jeszcze wyższego rocznego pokrycia potrzeb energetycznych, wymagałby już stosowania bardzo dużych zbiornik buforowych w celu magazynowania energii w dłuższym okresie.
Nasuwa się jednak pytanie: w jaki sposób oszacować wymaganą powierzchnię kolektorów, gdy nie posiadamy programu symulacyjnego? Na potrzeby wstępnej koncepcji możemy skorzystać z uproszczonej metody, wg której na każdą osobę lub 50 l ciepłej wody zużywanej w ciągu doby stosujemy:

• 1 do 1,5 m2 kolektorów/osobę, dla domu jednorodzinnego (odpowiednio 50% lub 60% pokrycia potrzeb rocznych),
• 0,8 m2/osobę dla budynku wielorodzinnego (około 40% pokrycia rocznych potrzeb).

Powyższa reguła dotyczy kolektorów ustawionych w kierunku południowym, nachylonych pod kątem 45o. W przypadku innego usytuowania kolektorów stosuje się współczynnik korekcyjny wg rysunku 2.
Przykładowo dla montażu kolektorów na połaci południowo-wschodniej pod kątem 45o należy pomnożyć wymaganą powierzchnię kolektorów przez współczynnik 1,1. Zatem dla rodziny pięcioosobowej, która chciałaby uzyskać roczne pokrycie potrzeb energetycznych na poziomie 50% niezbędne byłoby zastosowanie około 5 x 1 m2/osobę x 1,1 = 5,5 m2. Dalej należy wybrać konkretną liczbę kolektorów, uwzględniając ich powierzchnię jednostkową. Przykładowo dla kolektorów o jednostkowej powierzchni równej 2,3 m2/kolektor możemy rozważyć zastosowanie dwóch kolektorów o powierzchni 4,6 m2 lub trzech o powierzchni 6,9 m2.

Wybór odpowiedniej pojemności zasobnika ciepłej wody

W kolejnym kroku dla wybranej liczby kolektorów i ich rzeczywistej powierzchni należy określić zalecaną pojemność zasobnika. Powinna ona pozwolić na swobodną akumulację ilości energii pozyskiwanej w ciągu bez nadmiernego wzrostu temperatury wody w zbiorniku. W przypadku budynku, w którym zużycie ciepłej wody w ciągu tygodnia jest względnie równomierne, stosuje się zbiornik o pojemności około 50 l/m2 kolektorów. W słoneczny dzień temperatura dobranego wg tej reguły zbiornika nie przekroczy 65-70°C. Przykładowo dla trzech kolektorów o łącznej powierzchni wskazane jest dobranie zasobnika o pojemności co najmniej 6,9 x 50 = 345 l.
W budynku, w którym przez 1-2 dni w tygodniu zużycie wody jest znikome, np. biurowym, zalecane jest zastosowanie zbiornika o większej pojemności np. 80-100 l/m2. Pozwala to zakumulować nadmiar energii i wykorzystać ją w kolejnym dniu.

Wybór zasobnika o odpowiedniej powierzchni wężownicy

W instalacji z kolektorami słonecznymi szczególnie ważna jest skuteczność przekazywania ciepła od roztworu glikolu ogrzanego w kolektorach do wody w zbiorniku akumulującym energię. Zastosowanie odpowiednio dużego wymiennika ciepła, najczęściej wężownicy, pozwala uzyskać niską różnicę temperatury, a przez to i obniżyć temperaturę pracy kolektorów, co podnosi sprawność instalacji. Przykładowo, gdy temperatura wody w zbiorniku wynosi około 40°C, wówczas we współpracy z wężownicą o dużej powierzchni kolektory pracują z niską temperaturą rzędu 50-55°C.
Tym samym nie tracą dużej ilości ciepła do otoczenia. W przypadku zaś zastosowania zbiornika wyposażonego w mniejszą wężownicę, temperatura kolektorów może być nawet o 30-40°C wyższa od temperatury wody w zbiorniku. Skutkuje to wysokimi stratami ciepła z kolektora do otoczenia i przez to niską efektywnością pracy instalacji.
W celu uzyskania optymalnych warunków należy wybrać zasobnik wyposażony w dolną wężownicę o powierzchni co najmniej 0,2 m2 na każdy m2 powierzchni kolektorów. Przykładowo dla trzech kolektorów o powierzchni łącznej 6,9 m2 powierzchnia wężownicy powinna wynosić co najmniej 0,2 x 6,9 = 1,38 m2.

Określenie wymaganego przepływu i dobór średnicy rur

W przypadku małych instalacji z kolektorami słonecznymi, czyli systemów o powierzchni do około 20 m2 stosuje się tzw. metodę przepływu high flow, czyli przepływ w wysokości około 40 l/m2 kolektora na godzinę. Taki poziom przepływu zapewnia skuteczny odbiór ciepła z powierzchni absorbera i możliwie niską temperatura pracy. Przykładowo dla kolektorów o powierzchni 6,9 m2 wymagany przepływ wynosiłby około 6,9 m2 x 40 l/m2 h = 276 l/h.
W przypadku większej instalacji zastosowanie tej samej metody generuje coraz wyższy koszt rur i osprzętu oraz wysokie zużycie energii elektrycznej. W związku z tym wówczas stosuje się z kolei metodę low flow i przepływ w wysokości około 15-25 l/(m2 kolektora na godzinę). Oczywiście wiąże się to z pewnym wzrostem temperatury kolektorów i spadkiem ich efektywności, ale w przypadku szczególnie dużej instalacji bardzo ważne jest ograniczenie kosztów inwestycji. Ostatecznie o wartości przyjętego przepływu decyduje projektant instalacji.
W kolejnym kroku dokonuje on doboru średnic rur w oparciu o obliczony przepływ czynnika grzewczego. Ważne, by prędkość przepływu przez rury była wyższa od prędkości swobodnego unoszenia się pęcherzy powietrza. Wyeliminuje to ryzyko zbierania się w górnej części instalacji pozostałości powietrza, które nie zostało usunięte w trakcie uruchomienia systemu. Zaleca się więc, by minimalna prędkość przepływu wynosiła co najmniej 0,3-0,4 m/s.
Z drugiej strony w celu ograniczenia kosztów eksploatacji pomp obiegowych zaleca się ograniczenie prędkości przepływu do około 0,7-0,8 m/s.
Po ustaleniu wymaganej średnicy rur niezbędne jest określenie oporów hydraulicznych całej instalacji, w tym kolektorów, rur, armatury i wężownicy zasobnika c.w.u. Na tej podstawie i w odniesieniu do projektowanego przepływu dobierana jest grupa pompowa. Dla uproszczenia część producentów oznaczyła grupy pompowe przeznaczone do instalacji z kolektorami słonecznymi poprzez podanie powierzchni kolektorów dla jakiej dana grupa jest przeznaczona. Mimo wszystko ważne jest porównanie projektowanych parametrów instalacji z charakterystyką hydrauliczną grupy pompowej.

Pobierz  Wstępne określenie wymaganej powierzchni kolektorów oraz parametrów zasobnika w celu uzyskania pokrycia 50% i 60% rocznych potrzeb energetycznych.

Zachowanie podstawowych zasad doboru najważniejszych elementów instalacji z kolektorami słonecznymi pozwala uzyskać wysoką efektywność systemu. Bardzo ważne jest przy tym precyzyjne określenie potrzeb energetycznych i warunków montażu kolektorów słonecznych. W szczególności w przypadku większy instalacji niezbędna jest optymalizacji instalacji z wykorzystaniem programu symulacyjnego.