Zasobniki, oprzyrządowanie i armatura słonecznych systemów grzewczych Niezbędnik instalatora słonecznych systemów grzewczych cz. 4

Magazynowanie ciepła

Standardowe domowe instalacje solarne osiągają dużo mniejsze moce niż zastosowane w tych samych budynkach konwencjonalne systemy grzewcze. Ponieważ instalacja solarna osiąga swoją moc w sposób nierównomierny, zależny od zmiennego natężenia promieniowania słonecznego, często również niedostępnego, kolektory słoneczne muszą współpracować z zasobnikami – dobrze zwymiarowanymi pod względem wielkości i wydajności oraz wyposażonymi w wymienniki ciepła.

Przy doborze pojemności zasobników dobrze sprawdza się w praktyce zastosowanie współczynnika 1,5 lub 2-krotnej wartości dziennego zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Większe zasobniki pozwalają co prawda na magazynowanie większej ilości energii, ale występujący w nich niższy poziom temperatury prowadzi do częstszego uruchamiania dodatkowego źródła energii.

Zasobnik solarny

W budynkach jedno- i dwurodzinnych najczęściej zastosowanie znajdują zasobniki o pojemności od 200 do 500 litrów. Wyposażone są one w dwie wężownice: dolna podłączona jest do obiegu kolektorów słonecznych wykorzystujących energię słoneczną do podgrzania wody, a górna podłączona jest do kotła grzewczego i służy do zwiększenia temperatury wody do zadanego poziomu, gdy kolektory słoneczne nie są w stanie tej temperatury uzyskać samodzielnie (rys. 1).

Z powodu różnej gęstości wody zimnej i ciepłej w zasobniku tworzą się warstwy temperaturowe. Lżejsza ciepła woda gromadzi się w górnej części zasobnika, a zimna w dolnej. To grawitacyjne tworzenie się warstw temperaturowych nazywane jest w technice solarnej termosyfonem.

Tworzenie się warstw temperaturowych ułatwiać może budowa zasobnika (mała średnica, duża wysokość). W zasobnikach o smukłej budowie występuje bardzo małe wyrównanie temperatur poszczególnych warstw poza okresami ładowania. Dzięki niskim temperaturom w dolnej części zasobnika uzyskuje się możliwość solarnego ładowania nawet przy stosunkowo małej wartości natężenia promieniowania słonecznego.

Każdy wysokowydajny zasobnik wyposażony jest w odpowiednią izolację cieplną. Sama grubość warstwy izolacyjnej nie zapewnia jednak dobrego efektu, jeśli materiał izolacji jest niskiej jakości. Izolacja cieplna powinna dobrze przylegać i pokrywać całą powierzchnię zasobnika, czyli również jego spód.

Materiały izolacyjne powinny być wolne od polichlorków winylu oraz chlorofluorowęglowodoru (związek chloro- i fluoropochodny). W celu ograniczenia strat ciepła dobre zasobniki posiadają pełną izolację cieplną w obrębie króćców.

Przyjmuje się, że współczynnik strat ciepła w zasobnikach nie powinien przekraczać wartości 2 W/K. Dobry zasobnik o współczynniku strat wynoszącym 1,5 W/K traci w ciągu roku około 450 kWh mniej energii w porównaniu z zasobnikiem o współczynniku strat 3 W/K, przy różnicy temperatur rzędu 35 K.

Jeżeli przyjmiemy, że standardowy kolektor słoneczny o powierzchni około 2 m2 dostarcza w skali roku energię w wysokości 1200 kWh, strata ciepła spowodowana złą izolacją zasobnika jest znacząca.

Należy pamiętać, że w przypadku gromadzenia w zasobniku wody o dużej twardości, z dużą zawartością wapnia powinno się zadbać o utrzymywanie temperatury nieprzekraczającej 60°C. W przeciwnym razie na powierzchniach wężownic osadzać się będzie kamień, co doprowadzi do obniżenia wydajności przewodzenia ciepła.

Warstwa osadu o grubości 2 mm może prowadzić do spadku wydajności wężownicy o 20%, a warstwa o grubości 5 mm – nawet do 40%. Równocześnie kruszący się kamień osadza się na dnie zasobnika i prowadzi do jego zaszlamienia.

Króćce zasobnika

Zimna woda

Doprowadzenie zimnej wody powinno zostać wykonane w sposób ograniczający możliwość wymieszania z ciepłą wodą, a tym samym zniszczenia warstw temperaturowych w zasobniku. Dla zabezpieczenia się przed taką możliwością we wnętrzu zasobnika stosowane są niekiedy płyty nakierowujące strumień dopływającej wody.

Ciepła woda

W konwencjonalnych zasobnikach ciepła woda pobierana jest od góry zasobnika. Przy ustaniu poboru wody wychładza się ciepła woda znajdująca się w przewodzie. Konsekwencją jest opadanie tej wychłodzonej wody do wnętrza zasobnika oraz zakłócenie warstw temperaturowych. Prowadzi to do znacznych strat, które mogą sięgać 15% łącznych strat ciepła w zasobniku.

Lepszym rozwiązaniem jest poprowadzenie przewodu odbiorczego od góry do wnętrza zasobnika za pomocą przystosowanego do tego celu kołnierza. Unika się wówczas zbędnych strat ciepła.

Wymiennik ciepła

Solarny wymiennik ciepła, wykonany najczęściej w postaci wężownicy, powinien być tak usytuowany, by zapewniał grzanie całej dolnej części zasobnika aż do jego dna.

Wężownica kotła grzewczego umieszczona w górnej części zasobnika powinna zapewniać szybkie ogrzanie pojemności dyspozycyjnej związanej z zapotrzebowaniem dziennym na ciepłą wodę użytkową. Powinna równocześnie umożliwiać wężownicy solarnej efektywne ładowanie nawet najmniejszych ilości energii słonecznej do zimnej części zasobnika.

Cyrkulacja

Dla szybkiego uzyskania ciepłej wody użytkowej w punktach odbioru rozległej sieci przewodów stosuje się często przewody cyrkulacji. Zaletą jest oszczędność wody, a wadą może być zniszczenie warstw temperaturowych w zasobniku oraz straty ciepła w przewodach.

Z uwagi na fakt, że straty ciepła na przewodach cyrkulacji mogą przybierać znaczne rozmiary, trzeba zadbać o ich bardzo dobrą izolację. W każdym wypadku należy ograniczać czas pracy pompy cyrkulacyjnej. Poza wyłącznikiem czasowym stosuje się też inne, tzw. inteligentne regulowanie.

W tym przypadku sygnały sterujące pompą cyrkulacyjną odbierane są bezpośrednio z zasobnika (wzrost temperatury lub przepływ), co powoduje, że otwarcie jakiegokolwiek punktu odbioru wody wywołuje uruchomienie pompy. Króciec cyrkulacji powinien się znajdować na wysokości ok. 2/3 zasobnika.

W nowym budownictwie jednorodzinnym dąży się do likwidacji przewodów cyrkulacyjnych poprzez zastosowanie krótkich odcinków rur i bardzo dobrych izolacji oraz małych średnic przewodów. Równocześnie stosuje się układy z obejściem, w których za pompą cyrkulacyjną znajduje się zawór trójdrogowy otwierający drogę do zasobnika dopiero wówczas, gdy temperatura obniży się, np. do 40°C. Unika się tym sposobem wad cyrkulacji w układzie tradycyjnym.

Materiały zasobników

Zasobniki ciśnieniowe są najczęściej emaliowane albo wykonywane ze stali nierdzewnej. Zasobniki ze stali nierdzewnej są zwykle lżejsze i nie wymagają obsługi czy konserwacji, są przy tym jednak droższe i wrażliwe na działanie wody zawierającej duże ilości chloru. 

Zasobniki stalowe emaliowane są potencjalnie narażone na korozję, gdyż w wodzie znajduje się zawsze pewna ilość powietrza, którego składnikiem jest tlen mogący wywołać efekt utleniania. Ponieważ emaliowanie związane jest często z występowaniem problemu miejscowych defektów, które powstają w trakcie produkcji albo transportu, może dochodzić do rdzewienia odsłoniętych fragmentów stali. 

Dlatego niezbędne jest wyposażenie zasobnika w anody magnezowe albo obcowzbudne. Magnez, który jest mniej szlachetny od stali, rozkłada się z biegiem czasu i zapobiega w ten sposób rdzewieniu stali zasobnika, anoda ta bywa w związku z tym nazywana również anodą ofiarną. 

W przypadku anody obcowzbudnej zapobiega się korozji poprzez wytworzenie napięcia elektrycznego pomiędzy anodą a materiałem zasobnika. Anoda przejmuje funkcję mniej szlachetnego metalu, z tą zaletą, że się nie rozkłada, a zużycie energii nie przekracza 1 W.

Zasobniki ładowane warstwowo

Zasobniki warstwowe umożliwiają doprowadzenie wody pozyskanej za pośrednictwem promieniowania słonecznego bezpośrednio do poziomu, na którym znajduje się warstwa wody o identycznej temperaturze. 

Dzięki temu możliwe jest pozyskanie bezpośrednio z energii słonecznej wody o wymaganej temperaturze bez konieczności wcześniejszego grzania całej objętości zasobnika. Równocześnie dolna część zasobnika pozostaje zimna, dzięki czemu kolektory słoneczne mogą osiągać wysoką sprawność (rys. 2).

Wiele zasobników ładowanych warstwowo wykonywanych jest jako bufory ciepła (rys. 3). Ciepła woda użytkowa uzyskiwana jest wówczas za pośrednictwem różnych technik: systemu zbiornik w zbiorniku, wewnętrznego wymiennika ciepła czy zewnętrznego wymiennika ciepła z pompą sterowaną elektronicznie.

Bufory ciepła ładowane warstwowo mają kilka podstawowych zalet:

• brak zagrożeń higienicznych,
• prosty sposób wspomagania ogrzewania kolektorami słonecznymi,
• bardzo dobra współpraca z kotłami kondensacyjnymi.

Z kolei do wad tego rozwiązania należeć mogą:

• ograniczona wielkość rozładowania zasobnika,
• niższa sprawność sytemu w układzie przygotowania ciepłej wody użytkowej (dwa wymienniki ciepła).

Bufory ładowane warstwowo stosowane są często w instalacjach solarnych pracujących w systemie wolnego przepływu (tzw. low-flow). Niski przepływ w obiegu kolektorów słonecznych (od 8 do 15 l/m²h) umożliwia ogrzanie medium roboczego do wyższego poziomu temperatur. 

Uzyskuje się dzięki temu: niższe przepływy umożliwiające zmniejszenie kosztów rurociągów (mniejsze średnice rur, mniejsze straty w rurociągach), ograniczenie kosztów dzięki zmniejszonym parametrom komponentów instalacji oraz zmniejszenie potrzeb energetycznych związanych z dogrzewem.

Technika ładowania i regulacji

Wymienniki ciepła

Zastosowanie wymiennika do przekazania wodzie użytkowej ciepła pozyskanego przez kolektory słoneczne jest niezbędne z uwagi na fakt, że medium roboczym w standardowych instalacjach solarnych jest mieszanina glikolu i wody. Glikol kwalifikowany jest jako medium niebezpieczne i nie powinien się przedostawać do wody pitnej.

Dla ograniczenia strat ciepła kolektora słonecznego ciepło powinno być przenoszone do zasobnika już przy różnicach temperatur rzędu 5–8 K. Rozróżnia się wewnętrzne oraz zewnętrzne wymienniki ciepła.

Wymiennik zewnętrzny pracuje na zasadzie przepływów przeciwprądowych. W tym przypadku w wymienniku płytowym albo płaszczowo-rurowym dwie ciecze, to jest medium przenoszące ciepło oraz podgrzewana woda użytkowa, prowadzone są względem siebie w kierunkach przeciwnych. 

W trakcie tego ruchu ciepło z medium grzewczego przekazywane jest wodzie użytkowej. Wymiennik płytowy charakteryzuje się przenoszeniem bardzo dużej mocy na małej przestrzeni i może obsługiwać kilka zasobników.

Zalety wymiennika zewnętrznego są następujące: moc przekazywania energii jest większa niż w wymienniku wewnętrznym, nie obniża się wydajność w wyniku osadzenia się kamienia, jeden wymiennik obsługiwać może kilka odbiorników. Jest to jednak rozwiązanie droższe niż zastosowanie wymiennika wewnętrznego, wymagane jest też zastosowanie dodatkowej pompy. Wymienniki płytowe znajdują zastosowanie głównie w większych instalacjach.

Wymienniki wewnętrzne wykonywane są z rur gładkich albo żebrowanych. Wymienniki z rur gładkich są zabudowywane fabrycznie w zasobnikach, zwykle w formie wężownicy. 

Wymienniki żebrowane dzięki swojej zwartej budowie mogą być mocowane w zasobniku za pośrednictwem specjalnego kołnierza. Na ich czynnej powierzchni przenoszenia ciepła może się osadzać kamień w znacznie szybszym stopniu, niż ma to miejsce w wymiennikach gładkich, a efektem może być znaczny spadek wydajności.

Wymiennik z rury gładkiej wykonywany jest najczęściej ze stali emaliowanej albo chromowo-niklowej, ma mniejszą tendencję do osadzania się kamienia, ma też większą wydajność w odniesieniu do 1 m² powierzchni wymiany. Z uwagi na znaczne długości rury wymaga też więcej miejsca w zasobniku.

Wymiennik żebrowany wykonywany jest najczęściej z miedzi, czasami pokrytej specjalną powłoką. Dzięki dużej powierzchni żeber wymiennik taki ma mniejsze gabaryty. Pionowe usytuowanie wymienników w zasobnikach jest z reguły korzystniejsze, gdyż występuje w takim przypadku wspomaganie uwarstwienia temperaturowego. 

Wymienniki powinny być tak podpięte do obwodu solarnego, by przepływ następował w wymienniku od góry w dół, tak aby nie następowało wyprowadzanie ciepła. Przy poziomej zabudowie wymiennika zachodzi gorsze konwekcyjne odprowadzanie ciepła i wzrasta niebezpieczeństwo osadzenia się kamienia.

Stacja/grupa solarna

Dla uproszczenia montażu instalacji solarnej podstawowe elementy armatury umieszczane są w jednym miejscu, tzw. stacji solarnej (rys. 4), i oferowane przez większość producentów jako kompletnie zmontowane.

W stacji solarnej zintegrowane są: armatura do napełniania i opróżniania, służąca do płukania, napełniania i opróżniania instalacji, podzespoły kontroli i monitoringu, takie jak termometry, manometr i rotametr, oraz grupa bezpieczeństwa.

Pompa obiegowa przeznaczona do transportu medium grzewczego umieszczona jest na gałęzi powrotu instalacji solarnej i zabudowana tak, by jej oś obrotu była pozioma. Przy eksploatacji pompy należy zapewnić jej pracę w zakresie dopuszczalnych temperatur roboczych. Praca ze zbyt wysokimi temperaturami prowadzi do szybkiego uszkodzenia pompy.

Rotametr służy do ustalenia zalecanego przez producenta kolektorów słonecznych przepływu w obiegu solarnym. Regulację zgrubną przepływu uzyskać można, zmieniając bieg pompy solarnej, rotametr pozwala na precyzyjne ustalenie przepływu.

Zawór zwrotny powinien spełniać funkcję zaworu antygrawitacyjnego zabezpieczającego przed wydostawaniem się ciepła z zasobnika w kierunku kolektorów słonecznych. Należy zadbać o to, aby zawór ten można było odblokować (otworzyć).

Regulator/sterownik

Zadaniem regulatora instalacji solarnej jest sterowanie pompą obwodu solarnego w taki sposób, by optymalnie wykorzystać dostępną energię słoneczną. Najczęściej chodzi tu o proste elektroniczne sterowanie różnicą temperatur. 

W przypadku standardowej, najprostszej instalacji z regulatorem różnicowym stosowane są dwa czujniki temperatury. Pierwszy zamontowany jest w najgorętszym punkcie obwodu solarnego, to jest w kolektorze słonecznym, a drugi w zasobniku na wysokości wymiennika ciepła obwodu solarnego. Wartości temperatur są porównywane przez sterownik, który załącza pompę poprzez przekaźnik, gdy osiągnięta zostaje różnica temperatur załączania.

Ustawienie właściwej różnicy temperatur załączania zależy od wielu czynników. Zasadniczo obowiązuje zasada, że im większe przewody instalacji, tym wyższa powinna być ustalona różnica temperatur lub zwłoka w załączaniu pompy. Standardowe wartości różnicy temperatur załączania wynoszą 5–10 K, a różnica temperatur, przy której nastąpi wyłączenie, to ok. 3 K. Bywa, że opcjonalnie oferowany jest trzeci czujnik służący do pomiaru temperatury w górnej części zasobnika.

Dla lepszego zobrazowania funkcjonowania regulatora różnicowego sporządzono przykładowy rysunek przedstawiający momenty załączania się pompy obiegowej (kolorem zielonym zaznaczono okresy pracy pompy) przy nastawionej wartości różnicy temperatur załączania 8 K i wyłączania 6 K (rys. 5).

Skuteczność działania regulatorów zależy przede wszystkim od umiejscowienia czujników temperatury. Czujnik temperatury kolektora słonecznego umieszczony jest zwykle w tulei zanurzeniowej w rurze zbiorczej lub w tulei przylegającej do rury zbiorczej, względnie w tulei przylegającej bezpośrednio do absorbera w pobliżu wylotu z kolektora słonecznego.

Czujnik temperatury kolektora musi zmierzyć temperaturę występującą przy stagnacji instalacji solarnej. Solarny czujnik temperatury w zasobniku umieszczony jest na wysokości wymiennika ciepła jako czujnik zanurzeniowy albo przylgowy. W górnej części zasobnika znajdować się może czujnik umieszczony przy wymienniku dodatkowego źródła ciepła przekazujący do regulatora informację o rozpoczęciu i zakończeniu dogrzewu. 

Z uwagi na fakt, że czujniki temperatury różnych producentów mają odmienne charakterystyki oporu, zależne od czynników materiałowych i temperaturowych, nie można ich bez wcześniejszego sprawdzenia zamieniać.

Przykładowy sposób działania regulatora R w standardowej instalacji solarnej przedstawiono na rys. 6. W przypadku zimnego zasobnika o temperaturze wody T2 rzędu 10°C przy nastawionej różnicy temperatur wynoszącej 7 K pompa obiegowa P uruchomi się, gdy temperatura na czujniku kolektora słonecznego T1 wyniesie 17°C, co w trakcie letniego poranka możliwe jest rano. 

Oczywiście medium grzewcze ma wówczas podobną temperaturę i jest w stanie poprzez solarny wymiennik ciepła ogrzać zimną wodę w zasobniku. Proces ten będzie trwał, o ile promieniowanie słoneczne prowadzić będzie do wzrostu temperatury w kolektorach słonecznych. Zasobnik będzie wówczas ładowany w sposób ciągły aż do momentu osiągnięcia maksymalnej temperatury zadanej w zasobniku. Pompa wówczas się wyłączy. Będzie się również wyłączała za każdym razem, gdy zostanie osiągnięta różnica temperatur wyłączania (np. gdy pojawią się chmury lub zmniejszy się nasłonecznienie).

Bezpieczeństwo

Legionella

W instalacjach solarnych pojawić się mogą bakterie Legionelli. Są to bakterie pałeczkowe powszechnie występujące w słodkiej wodzie. Rozmnażają się najszybciej w zakresie temperatur od 25 do 55°C, a powyżej 60°C bakterie te umierają. Nie są niebezpieczne, jeśli dostają się do przewodu pokarmowego człowieka (np. połknięcie w trakcie kąpieli, przy myciu zębów itp.). 

Niebezpieczeństwo infekcji pojawia się natomiast, gdy bakterie te przedostaną się do układu oddechowego. Z tego względu w instalacjach solarnych wprowadzono obowiązek codziennego wygrzewania całej objętości zasobników o pojemności przekraczającej 400 litrów oraz przewodów cyrkulacyjnych o pojemności powyżej 3 litrów do temperatury przekraczającej 60°C.

Ochrona przed zamarzaniem

W naszej szerokości geograficznej niezbędne jest zapewnienie ochrony instalacji solarnej przed zamarzaniem. W tym celu jako medium grzewcze stosuje się mieszaninę wody z glikolem. Substancją podstawową jest glikol z dodatkami (inhibitorami) chroniącymi przed korozją. Dodatki te odgrywają bardzo istotną rolę, zwłaszcza w przypadku, gdy w instalacji solarnej stosuje się różne materiały do wykonania podzespołów. 

Należy zwrócić uwagę, że zmiana absorberów miedzianych na aluminiowe wymaga zastosowania specjalnych (innych niż dla miedzi) inhibitorów.

W przypadku stosowania glikolu propylenowego 1,2 (nie jest toksyczny) jako substancji podstawowej koncentrat składa się w 94% z glikolu, w 2% z wody i w ok. 4% z inhibitorów. Związki glikolu atakują cynk, nie należy w związku z tym stosować rur lub zasobników ocynkowanych jak również środków zawierających chlorki. 

Dla zapewnienia prawidłowej ochrony przed zamarzaniem należy bezwzględnie przestrzegać zaleceń zawartych w instrukcji producenta. Alternatywnym dla zastosowania chemii rozwiązaniem jest automatyczne opróżnianie instalacji (system drain-back) lub wykorzystanie bezpośrednio wody. Zagadnienia te zostaną przedstawione w oddzielnym artykule.

Przegrzanie

W razie unieruchomienia instalacji solarnej, na przykład w wyniku braku napięcia lub uszkodzenia pompy obiegowej, ewentualnie w przypadku długotrwałego braku odbioru energii z instalacji w kolektorach słonecznych, występują w niej temperatury znacznie przekraczające 100°C.Prowadzi to do wrzenia cieczy przewodzącej ciepło w kolektorach słonecznych, a tym samym do znacznego obciążenia materiałów, zjawisku temu należy zatem zapobiegać. Wymaga to między innymi właściwego zwymiarowania naczynia przeponowego.

Przegrzaniu instalacji solarnej przeciwdziała się również za pośrednictwem dodatkowych przedsięwzięć:

• odprowadzenie nadmiaru ciepła poprzez termostat do obiegu grzewczego (chłodne mokre pomieszczenie w piwnicy może być odpowiednim miejscem nawet latem),
• otwarcie antygrawitacyjnego zaworu zwrotnego (nocne rozładowanie zasobnika w kierunku kolektorów słonecznych),
• otwarcie izolacji zasobnika w jego górnej części.

Alternatywą jest również zastosowanie systemu drain-back.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!