Miedź w instalacjach solarnych

Z roku na rok udział energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto w Polsce systematycznie rośnie, aby w 2020 roku zgodnie z wytycznymi dyrektywy 2009/28/WE osiągnąć poziom 15%. Tym samym rozwija się rynek produkcji urządzeń dla odnawialnych źródeł energii w Polsce, zwłaszcza w branży kolektorów słonecznych [13]. Powierzchnia rocznie instalowanych kolektorów słonecznych stawia Polskę w czołówce na rynku europejskim.

Instalacje z kolektorami słonecznymi cieszą się dużą popularnością ze względu na najniższe koszty wytwarzania ciepła, krótki czas zwrotu inwestycji, możliwość zamontowania w budynkach zarówno już istniejących, jak i nowo budowanych mieszkalnych i niemieszkalnych, jak również ze względu na ograniczenie emisji dwutlenku węgla.

W rocznym bilansie energetycznym budynku potrzeby cieplne mają największy udział. Zastosowanie kolektorów słonecznych pozwala na zmniejszenie zapotrzebowania na energię ze źródeł konwencjonalnych, a tym samym oszczędności związane z zakupem paliwa.

Ciepło uzyskane z kolektorów słonecznych można wykorzystać do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, wody basenowej, wspomagania instalacji centralnego ogrzewania czy innych procesów technologicznych, w których wymagane jest ciepło niskotemperaturowe.

Rodzaje instalacji solarnych

Zadaniem instalacji solarnych jest efektywne pozyskanie energii słonecznej, zmagazynowanie jej i przekazanie do instalacji. Istnieje kilka typów słonecznych systemów c.w.u., w zależności od sposobu transportowania czynnika z kolektorów do zbiornika magazynującego [8]:

• instalacje aktywne z obiegiem wymuszonym, w których przepływ czynnika wywołany jest pompą cyrkulacyjną,

• instalacje termosyfonowe pasywne (bezpompowe),

• instalacje bez przepływu czynnika – kolektory magazynujące.

W warunkach polskich największą popularność zyskały aktywne systemy instalacji słonecznej przygotowujące ciepłą wodę użytkową. Podstawowymi elementami instalacji (rys. 1) są:

• kolektor słoneczny,

• zbiornik magazynujący,

• układ transportujący podgrzany czynnik roboczy z kolektora do zbiornika (system rurociągów, pompy, wymiennik ciepła),

• armatura sanitarna (zawór bezpieczeństwa, naczynie wzbiorcze, odpowietrzniki),

• układ kontrolno-sterujący

• oraz wspomagające źródło ciepła (wykorzystujące energię elektryczną lub konwencjonalną).

Kolektor słoneczny

Średnia wartość energii docierająca do zewnętrznej warstwy atmosfery Ziemi wynosi 1366 W/m² (stała słoneczna), jednak ilość energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi zależy od szerokości geograficznej, pory dnia i roku (kąta padania promieni słonecznych), jak również od przejrzystości atmosfery, na którą wpływa stopień zachmurzenia czy ilość zanieczyszczeń i aerozoli. Dla terenu Polski można wyróżnić kilka stref rocznego nasłonecznienia [1, 5, 10].

Przy doborze kolektorów słonecznych będących podstawowym elementem systemu należy uwzględnić powyższe czynniki, jak również miejsce zabudowy i przeznaczenie instalacji, a także przeprowadzić analizę nakładów inwestycyjnych i efektywności energetycznej danej instalacji. Wówczas znaleźć można odpowiedź na pytanie, czy dobrać kolektor cieczowy płaski (miedź-miedź, aluminium-miedź, aluminium-aluminium), czy próżniowy rurowy.

Kolektory z płytą absorbera wykonaną z miedzi (blacha miedziana) wraz z orurowaniem z miedzi to najwyższy standard materiału oraz tradycyjna i sprawdzona technologia [4].

Miedź to materiał trwały, odporny na duże zmiany temperatury i korozję. Przewodność cieplna miedzi (λ = 370 W/mK) jest najwyższa spośród materiałów stosowanych do budowy kolektorów, dlatego grubość blachy miedzianej absorbera jest dwukrotnie mniejsza w stosunku do aluminiowej [6]. Taka konstrukcja kolektora (miedź-miedź) daje możliwość wykonania pozostałej części instalacji solarnej z rur miedzianych i z połączeniami lutowanymi.

Czytaj też: Kolektory słoneczne - przesłanki doboru >>>

Wymiarowanie instalacji solarnej

Doboru instalacji solarnej dokonuje się przy założeniu 60-proc. stopnia pokrycia rocznych potrzeb cieplnych [10, 12]. Dzięki temu w miesiącach letnich można uzyskać pełne pokrycie potrzeb c.w.u., co pozwala na okresowe wyłączenie kotła grzewczego.

Podstawę doboru powierzchni kolektorów słonecznych do podgrzewu wody użytkowej stanowi wartość zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową, która wynosi od 30 do 70 l/os., a w razie stałego korzystania z ciepłej wody przez zmywarkę i pralkę dodatkowo 20–30 l/d [3]. W przypadku instalacji cyrkulacyjnej ciepłej wody należy skorzystać z wytycznych producenta [11].

Instalacja solarna musi być zwymiarowana w taki sposób, żeby w słoneczny dzień (5 godzin pełnego nasłonecznienia) cała objętość wody w podgrzewaczu była podgrzana do minimum 60°C [12].

Przyjmuje się dzienne zapotrzebowanie na c.w.u. o temperaturze 45–50°C na poziomie 50 l/d/os, co odpowiada ok. 1,5 m² powierzchni kolektorów słonecznych [8]. Przy wystąpieniu mniejszego nasłonecznienia w następnym dniu pozwala to na zapewnienie odpowiedniej temperatury wody.

Wymiarowania małych instalacji na potrzeby c.w.u. można dokonać w oparciu o nomogramy producentów kolektorów słonecznych. Do zwymiarowania większych systemów lub instalacji c.w.u. wspomagających równocześnie centralne ogrzewanie należy skorzystać z programów symulacyjnych ze względu na szacunkowy charakter nomogramów. Prawidłowe zwymiarowanie przewodów instalacji solarnej jest kluczowe dla jej poprawnej eksploatacji.

Czynnik roboczy, którym najczęściej jest glikol propylenowy (posiadający atest Państwowego Zakładu Higieny), podobnie jak rury w instalacji solarnej musi być odporny na temperatury ujemne w okresie zimowym jak i temperatury stagnacji, kiedy to temperatura może dojść do 200°C w absorberze płaskim, a w kolektorze próżniowym przekroczyć 300°C [15].

Trwałość czynnika grzewczego dobrej klasy pozwala na pracę instalacji przez dłuższy okres przy podwyższonych temperaturach. Jego stężenie ustala się zależnie od strefy klimatycznej.

Przyjmuje się, że udział środka niezamarzającego nie powinien przekraczać 50%, a właściwy jest na poziomie 40% [7].

Uwzględniając fakt, że miedź jest trwała, zachowuje swoje własności mechaniczne w szerokim zakresie temperatur, a do tego ma mały ciężar, jest łatwo dostępna, prosta w instalacji, odporna na przesuwanie przez ostre krawędzie oraz pozwala na łatwą modyfikację instalacji, można uznać, że idealnie nadaje się do stosowania w słonecznych instalacjach grzewczych.

Jedynie przy kolektorach z orurowaniem wykonanym z aluminium nie można stosować rur miedzianych, a także połączeń lutowanych i skręcanych z użyciem złączek mosiężnych [15].

Żeby dobrać odpowiednią średnicę przewodów w instalacji, należy określić w zależności od powierzchni apertury kolektorów słonecznych lub ich ilości wymagane nominalne natężenie przepływu glikolu. Prędkość przepływu glikolu w typowej instalacji solarnej powinna wynosić 0,4–0,7 m/s zarówno dla rur miedzianych, jak i ze stali nierdzewnej. Opory liniowe powinny być możliwie niskie, najlepiej poniżej 10 mbar/mb. dla rury elastycznej ze stali nierdzewnej [15] oraz co najwyżej 4 mbar/mb. dla rur miedzianych (fot. 1) [14].

Należy zwrócić uwagę, że zbyt mała średnica przewodów może spowodować [15]:

• obniżenie natężenia przepływu czynnika grzewczego (glikolu) poniżej wymaganego wskutek zwiększonych oporów hydraulicznych przepływu, zwłaszcza przy zbyt małej wysokości podnoszenia pompy obiegowej,

• obniżenie sprawności pracy instalacji solarnej wskutek zmniejszonego natężenia przepływu glikolu przez kolektory słoneczne, podwyższenie temperatury absorberów i zwiększenie strat ciepła kolektora słonecznego do otoczenia,

• zwiększenie zużycia energii elektrycznej przez pompę obiegową pracującą z wyższą wymaganą wysokością podnoszenia,

• szybszą erozję powierzchni wewnętrznej rur (w szczególności dla rur miedzianych przy prędkości powyżej 1,5 m/s i temperaturze medium ponad 60°C).

Dobór zbyt dużej średnicy przewodów to przede wszystkim ryzyko:

• zbyt niskiej prędkości przepływu glikolu w orurowaniu instalacji solarnej skutkującej gromadzeniem się powietrza utrudniającego lub blokującego przepływ glikolu,

• zwiększonych strat ciepła do otoczenia z powierzchni zewnętrznej rur.

Maksymalne ciśnienie czynnika w obiegu kolektorowym podawane przez producentów wynosi zazwyczaj 0,3–0,6 MPa. Zaleca się, aby ciśnienie to na wypadek powstania nieszczelności w układzie i przedostania się mieszanki niezamarzającej do wody pitnej było mniejsze od ciśnienia wody w zbiorniku akumulacyjnym podłączonym bezpośrednio do sieci wodociągowej [8].

Czytaj też: Analiza i wybór źródła grzewczego przygotowującego ciepłą wodę z wykorzystaniem energii odnawialnej >>>

Wymogi eksploatacyjne poszczególnych elementów instalacji

• Pojemność podgrzewacza musi być większa niż dzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę przy uwzględnieniu pożądanej temperatury wody użytkowej.

Ze względu na podział pojemności podgrzewacza na strefy temperaturowe (zwiększające sprawność systemu) należy przyjmować jego minimalną pojemność jako od 1,3 do 1,7-krotność dziennego zużycia ciepłej wody [3].

Pojemność podgrzewacza nie powinna być mniejsza niż 50 l/m² powierzchni absorbera i zazwyczaj wynosi 75 l/m².

Istotnym parametrem jest powierzchnia wężownicy w podgrzewaczu, która nie powinna być mniejsza niż 0,2 m²/m² powierzchni absorbera.

Zalecany strumień masy czynnika przepływającego przez 1 m² powierzchni kolektora w systemach aktywnych wynosi 20–50 l/h.

Ważne jest też ograniczenie do minimum strat ciepła z zasobnika.

• Doboru pompy solarnej dokonuje się w oparciu o wyznaczoną całkowitą sumę strat ciśnienia przy znanym przepływie.

Moc elektryczna pompy nie powinna przekraczać 1% mocy maksymalnej obiegu solarnego [2].

Optymalną efektywność działania pompa osiąga, pracując na drugim biegu [10].

Na wysokość podnoszenia pompy ma wpływ sposób połączenia kolektorów w pole (połączenie szeregowe lub równoległe) jak również dobrana średnica przewodów.

Każda instalacja solarna musi być zabezpieczona przed przegrzaniem i wzrostem ciśnienia. Funkcję zabezpieczenia pełnią: nośnik ciepła (odporny na wysokie temperatury), naczynie przeponowe (przejmujące wzrost objętości nośnika) oraz zawór bezpieczeństwa. Ze względu na wysokie temperatury czynnika pompę i naczynie wzbiorcze należy w miarę możliwości montować na powrocie.

• Pojemność użytkową naczynia wzbiorczego określa się w oparciu o współczynnik rozszerzalności cieplnej czynnika grzewczego w instalacji solarnej wynoszący ok. 0,8% jego pojemności oraz objętość par tego czynnika mogących powstać w pozostających w stanie stagnacji kolektorach.

Pojemność znamionowa uzależniona jest również od wielkości ciśnienia napełnienia instalacji i ciśnienia otwarcia zaworu bezpieczeństwa.

• Pojemność instalacji solarnej wyznacza się przez zsumowanie pojemności zastosowanych kolektorów, objętości przewodów instalacji oraz wymiennika zabudowanego w zasobniku solarnym.

Dodatkowo należy uwzględnić pojemność tzw. poduszki zabezpieczającej, tj. wstępnej zawartości czynnika grzewczego będącej minimalną wymaganą objętością czynnika w naczyniu wzbiorczym w najniższej temperaturze.

Jej obliczeniowa wartość powinna wynosić 0,5% pojemności instalacji, lecz nie mniej niż 3 litry [10].

• Zawory bezpieczeństwa i przewody spływowe z tych zaworów powinny spełniać zalecenia zawarte w [2].

• Izolacja cieplna przewodów instalacji solarnej musi być wykonana na całej długości rur, odporna na temperatury robocze i zabezpieczona przed działaniem wilgoci (wpływy środowiskowe).

Dodatkowo dla przewodów prowadzonych na zewnątrz izolacja musi być odporna na warunki mechaniczne (dziobanie przez ptaki i przegryzanie przez małe zwierzęta), a także promieniowanie ultrafioletowe.

Systemy solarne ciepłej wody użytkowej są narażone na występowanie Legionelli, dla której temperatura namnażania się wynosi 20–50°C. Dlatego należy okresowo stosować przegrzewanie wody zgodnie z rozporządzeniem [9].

Wnioski

Dostęp do materiałów technicznych producentów urządzeń wchodzących w skład systemów słonecznych sprawia, że dobór podstawowych elementów dla małych i typowych instalacji solarnych c.w.u. nie stwarza problemów.

Metody wskaźnikowe pozwalają na oszacowanie wielkości powierzchni kolektorów słonecznych i pojemności zasobnika. Kłopot pojawia się przy wymiarowaniu pozostałych elementów systemu i dużych instalacji z nietypowym zapotrzebowaniem na wodę. Należy wówczas dokonać szerokiej analizy możliwych do zastosowania rozwiązań.

Instalacja solarna z kolektorami z absorberem z blachy miedzianej i z rur miedzianych ze względu na jej trwałość oraz odporność na duże zmiany temperatury i korozję oraz możliwość wykonania połączeń lutowanych pozwala na szerokie wykorzystanie.

Literatura

1. Brötje, Poradnik projektanta kotłowni wodnych z innowacyjnymi rozwiązaniami firmy Brötje, 2014.

2. Chodura J., Instalacje słoneczne dobór, montaż i nowe konstrukcje kolektorów, DW Medium, 2011.

3. Hewalex, Energia za słońca. Technika solarna. Katalog produktów, 2016.

4. Hewalex, Kolektory słoneczne i pompy ciepła w domu jednorodzinnym. Poradnik klienta, 2015.

5. Hewalex, Kolektory słoneczne. Wytyczne projektowe, aktualizacja 16.04.2010.

6. Hewalex, Nowy rozdział rozwoju energetyki słonecznej. Kolektory słoneczne typu KS2000 TP Am/TLP Am z absorberami aluminiowymi typu Al-Al04/2012.

7. Hoval, Projektowanie instalacji solarnych, 2013.

8. Pluta Z., Słoneczne instalacje energetyczne, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007.

9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).

10. Roth Solar, Wytyczne projektowe. Podgrzewanie wody użytkowej – kolektor F2.

11. Vaillant, Wytyczne do doboru instalacji z kolektorami słonecznymi.

12. Viessmann, Vitosol – wytyczne projektowe, 2011.

13. Wiśniewski G., Więcka A., Bolesta J., Czajka P., Polski przemysł produkcji urządzeń dla energetyki odnawialnej. Aktualizacja bazy danych firm i ocena możliwości rozwoju branży do 2020 i do 2030 roku, Warszawa 2016.

14. www.akademiamiedzi.pl/Miedziane solarne systemy grzewcze, 20.11.2016.

15. www.hewalex.pl, 20.11.2016.

Czytaj też: Zapotrzebowanie na energię cieplną do przygotowania c.w.u. w budynku mieszkalnym >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!