Dobór komponentów instalacji solarnej | Niezbędnik instalatora słonecznych systemów grzewczych cz. 10

Po przeprowadzeniu obliczeń wymaganej liczby kolektorów słonecznych oraz pojemności zasobników należy zadbać o prawidłowy dobór wszystkich komponentów, gdyż mogą one znacząco wpłynąć na wydajność instalacji solarnej. Instalacja ta ma długą żywotność, przekraczającą często 20 lat, ale także okres zwrotu nakładów inwestycyjnych jest długi, dlatego należy zapewnić jej efektywną pracę w całym okresie eksploatacji.

Dobór materiału przewodów oraz pompy

W większości instalacji solarnych materiałem stosowanym na przewody jest miedź. Wynika to z jej bardzo dobrych parametrów cieplnych. Alternatywnym rozwiązaniem są giętkie rury ze stali nierdzewnej lub stali szarej. Nie stosuje się rur z tworzyw sztucznych w obwodzie kolektorów z uwagi na obciążenia termiczne oraz promieniowanie ultrafioletowe. Nie należy też stosować stalowych rur ocynkowanych ze względu na reakcję warstwy cynku na wysokie temperatury medium.

Na rynek wchodzą kolektory z absorberem wykonanym w całości (blacha oraz rurki przepływowe) z aluminium. Wymaga to zastosowania w takich instalacjach cieczy roboczych, które zapewnią ochronę przed degradacją, przyspieszonym starzeniem i reakcjami chemicznymi.

Europejskie przepisy dotyczące przewodów łączących instalacje solarne z naczyniami wzbiorczymi zalecają zastosowanie rur o określonej średnicy nominalnej, co najmniej DN 15.

W instalacjach solarnych przewody mogą pracować w odmiennych warunkach od typowych dla instalacji grzewczych:

• przepływy określone są w oparciu o zalecenia producentów kolektorów słonecznych (low-flow, high-flow, matched-flow), a wpływ na opory przepływu mają zmieniające się temperatury w obwodzie solarnym, i tym samym zmieniająca się lepkość cieczy solarnej,
• medium roboczym nie jest woda, ale mieszanina glikolu i wody,
• medium robocze krąży w obwodzie zamkniętym.

W związku z powyższym przewodów nie należy dobierać „na wyczucie”. Zbyt duże średnice powodują wzrost kosztów inwestycyjnych i zwiększają straty ciepła od większych powierzchni. Z kolei zbyt małe przekroje rur powodują większy pobór mocy przez pompę, co pogarsza bilans energetyczny instalacji solarnej.

Do określenia oporów przepływu w przewodach instalacji solarnej niezbędna jest znajomość przepływu ustalonego przez producenta dla uzyskania największej wydajności kolektorów słonecznych. Trzeba przy tym zaznaczyć, że mały przepływ prowadzi do znacznego przyrostu temperatury przez pole kolektorów słonecznych, z kolei za duży do szybszego wychładzania kolektorów słonecznych i do częstszego przełączania pompy solarnej.

Całkowite opory przepływu w obwodzie solarnym są sumą oporów indywidualnych występujących na wszystkich komponentach instalacji. Są to opory przepływu na kolektorach słonecznych, przewodach, wymienniku ciepła oraz na armaturze (np. zawory, filtry itd.).

Opory przepływu przez pole kolektorów

Opory przepływu przez pole kolektorów słonecznych wynikają ze sposobu ich połączenia. W połączonych szeregowo opory całkowite DP stanowią sumę oporów wszystkich kolektorów (rys. 1). Inaczej kształtują się opory, gdy kolektory są połączone równolegle (rys. 2). Jest to wynikiem innego rozkładu przepływów w obu przypadkach. W połączeniu szeregowym kolektorów przepływ jest identyczny jak w przewodzie doprowadzającym do nich medium robocze. Natomiast w połączeniu równoległym przepływ rozkłada się na poszczególne kolektory słoneczne.

Do wyznaczenia oporów całkowitych należy skorzystać z charakterystyki dostarczonej przez producenta kolektorów (rys. 3). Wychodząc z wartości założonego przepływu (np. 300 kg/h jak na rys.) można określić stratę ciśnienia w kolektorze.

Opory przepływu w wymienniku ciepła

W standardowej instalacji solarnej wymiennik ciepła (wężownica) umieszczony jest w zasobniku solarnym (wymiennik wewnętrzny). Dla określenia oporów przepływu w wężownicy należy skorzystać z charakterystyki podanej przez producenta zasobnika.

W przypadku gdy przekazanie energii cieplnej pozyskanej przez kolektory słoneczne w postaci gorącego medium grzewczego wodzie użytkowej następuje za pośrednictwem zewnętrznego płytowego lub płaszczowego wymiennika ciepła, uwzględnić należy również charakterystyki producentów. Efektywność wymiany ciepła zależy od powierzchni wymiany, różnicy temperatury oraz prędkości przepływu.

Ponieważ dwa ostatnie parametry są w instalacji solarnej ściśle określone, wyznacza się jedynie wymaganą powierzchnię wymiany ciepła. Przyjmuje się zwykle wartości standardowe – od 0,20 do 0,35 m2 powierzchni wymiany na 1 m2 powierzchni kolektorów słonecznych. W większych instalacjach solarnych przy doborze wymienników uwzględnia się moc maksymalną kolektorów słonecznych.

Opory przepływu w przewodach

Przewody instalacji solarnej oraz wszelkie połączenia muszą być odporne na:

• niskie temperatury zimą (trzeba uwzględnić najniższe temperatury) oraz wysokie w lecie – co najmniej 200°C lub wyższe (w przypadku stagnacji),
• ciśnienia sięgające wartości maksymalnego ciśnienia roboczego,
• działanie cieczy solarnej.

Całkowite opory przepływu w przewodach rurowych wynikają ze średnic oraz długości przewodów, a także z wielkości przepływu oraz zawartości glikolu w cieczy solarnej. Im większa zawartość glikolu, tym większe są straty ciśnienia. Dla zapewnienia optymalnych parametrów energetycznych instalacji strata ciśnienia w przewodach nie powinna przekraczać 1,5 mbar na 1 mb. przewodu.

Prędkość przepływu powinna się mieścić w przedziale od 0,3 do 0,8 (maks. 1,0) m/s. W przypadku standardowych instalacji solarnych, w których odległość pomiędzy kolektorami słonecznymi a zasobnikiem nie przekracza 20 m, dobiera się zwykle prędkość przepływu na poziomie 0,5 m/s. Właściwa prędkość zapewnia przemieszczanie się pęcherzyków powietrza, ale zbyt duża może powodować hałas i ścieranie powierzchni wewnętrznej przewodów. Dla zapewnienia równomiernego przepływu w przewodach stosuje się stopniowanie średnic rur.

Opory przepływu w przewodach określa się z nomogramów (rys. 4), które podają wartości oporów jednostkowych dla określonych zawartości glikolu w cieczy roboczej.

Niektórzy producenci kolektorów słonecznych podają dla swoich produktów zalecane wielkości średnic przewodów w zależności od liczby kolektorów słonecznych oraz długości instalacji.

Opory przepływu w elementach armatury

Opory przepływu w armaturze przyjmowane są najczęściej w sposób przybliżony. Najczęściej przyjmuje się, że wynoszą one 1/3 wartości oporów przepływu w rurociągu. Można je również ustalać precyzyjnie, korzystając z charakterystyk poszczególnych elementów.

Dobór pompy

Dobierając pompę obiegu solarnego, należy uwzględnić następujące wymagania:

• pompa musi być odporna na działanie wysokich temperatur występujących w instalacjach solarnych (np. 130°C w obwodzie kolektorów),
• pompa musi być przystosowana do danej cieczy roboczej (np. mieszaniny 60% wody i 40% glikolu),
• ustalone i obliczone wartości wysokości podnoszenia oraz przepływu muszą być przez pompę osiągane z nadmiarem,
• pompa powinna pracować w zakresie roboczym z dobrą sprawnością,
• pompa powinna być odporna na częste przełączanie,
• cena pompy powinna być do zaakceptowania dla inwestora.

Pompy stosowane w obwodach ładowania i rozładowania bufora nie muszą spełniać tak rygorystycznych wymagań. Stosuje się tu standardowe pompy obiegowe oraz cyrkulacyjne.

Najważniejszym parametrem decydującym o doborze pompy są opory występujące w obwodzie solarnym przy wymaganej wartości strumienia przepływu. Precyzyjne określenie wartości wymaganego strumienia przepływu może sprawiać pewne trudności, gdy uwzględni się, że podawane przez producenta wartości oporów w kolektorze stanowią jedynie część oporów w instalacji, która zawiera wymiennik ciepła, przewody instalacyjne z szeregiem załamań i rozgałęzień oraz elementy armatury hydraulicznej (np. filtr osadnikowy, miernik przepływu).

Określenie całkowitych oporów przepływu umożliwia dobór pompy na podstawie stosownego wykresu.

W instalacjach high flow opory przepływu w kolektorach są zwykle niższe niż w instalacjach low flow, co jest wynikiem stosowania równoległego łączenia kolektorów. Jednak strumień przepływu (przez całe pole kolektorów) w instalacjach low flow jest niższy, co wymaga mniejszych mocy pomp niż w instalacjach high flow (nawet 30% różnicy).

W typowych instalacjach low flow punkt pracy pompy leży zwykle w obszarze jej małej sprawności – może to spowodować znaczny spadek wydajności pompy już przy niewielkim wzroście oporów przepływu. Zaleca się więc takie zwymiarowanie hydrauliki, żeby pompa pracowała poza tym obszarem.

Przy doborze pompy nie wolno zapominać o wzroście oporów przepływu przy niższych temperaturach cieczy roboczej, mogą być one 10–20% wyższe od obliczonych. W efekcie, jak wspomniano, spaść może wydajność pompy. Żeby zapobiec takim komplikacjom, opory przepływu cieczy roboczej (mieszaniny wody i glikolu o określonym składzie) przyjmować należy dla temperatury 20°C.

Wymiarowanie naczynia wzbiorczego oraz zaworu bezpieczeństwa

Właściwy dobór naczynia wzbiorczego oraz zaworu bezpieczeństwa to podstawowy warunek bezpiecznej pracy instalacji solarnej.

Dla normalnego funkcjonowania instalacji solarnej niezbędne jest zastosowanie naczynia wzbiorczego kompensującego zmiany objętości medium roboczego w wyniku zmian jego temperatury. Naczynie wzbiorcze musi również przejąć medium wypchnięte z kolektorów słonecznych przez parę powstałą w przypadku stagnacji instalacji solarnej. Powinno mieć ono także pewien wstępny zapas pojemności związany z zapewnieniem prawidłowego funkcjonowania membrany naczynia.

Zmiana pojemności medium grzewczego wynikająca ze zmian temperatury (DV_i) może być wyznaczona ze współczynnika objętościowej rozszerzalności cieplnej, średniej temperatury medium oraz procentowego udziału glikolu w medium grzewczym. Wartość procentowego przyrostu objętości (n) podano w tabeli 2 dla różnych zawartości glikolu. Jako średnią wartość zmiany temperatury przyjęto tu różnicę temperatury pomiędzy temperaturą napełniania instalacji oraz średnią temperaturą medium grzewczego w trakcie tworzenia pary. Z wystarczającą dokładnością przyjąć można dla tego przypadku wartość 110 K.

Zmianę objętości medium można określić ze wzoru:

Objętość napełnienia V_i stanowi sumę pojemności kolektorów V_k i rurociągu instalacji V_r oraz wymiennika ciepła, stacji solarnej, a także pozostałej armatury. O ile pojemność podzespołów odczytać trzeba z danych technicznych, to pojemność rurociągu można określić, korzystając z tabeli pojemności jednostkowych rur (tabela 3).

Dodatkowa objętość pary (V_p), którą przyjąć musi naczynie wzbiorcze, jest sumą objętości kolektorów słonecznych oraz pojemności odcinka przewodów przylegających do każdego pola kolektorów objętego stagnacją. Długość tego odcinka wyznaczyć można w przybliżeniu z bilansu mocy procesu stagnacji.

Żeby uwzględnić stratę objętości medium podczas napełniania i odpowietrzania instalacji oraz zapewnienia w okresie zimy stosownego nadciśnienia w najwyższych punktach instalacji, przy określaniu pojemności naczynia wzbiorczego uwzględnia się zapas objętości (V_z). Wynosi on:

• przy DV_i > 15 l: V_z = 0,05 DV_i
• przy DV_i < 15 l: V_z = 0,20 DVi
• ale V_{z min} = 3 l.

Aby wyznaczyć pojemność naczynia wzbiorczego, należy także określić wartość współczynnika ciśnienia (D). W tym celu niezbędne jest określenie wartości ciśnienia w instalacji (p_e) – odejmując od wartości nastawy zaworu bezpieczeństwa (p_zb) wartość różnicy ciśnienia roboczego (Dp) rzędu 10% wartości ciśnienia zadziałania zaworu bezpieczeństwa, co najmniej jednak 0,5 bar:

Współczynnik ciśnienia D określa się, uwzględniając ciśnienie wstępne naczynia (p_n), które wynika z wysokości statycznej instalacji powiększonej o wartość bezpieczeństwa rzędu 0,5–0,8 bar:

Pojemność minimalną naczynia wzbiorczego (V_min) wyznacza się ostatecznie ze wzoru:

W oparciu o dokumentację techniczną producenta naczyń wzbiorczych należy dobrać pojemność nominalną naczynia wzbiorczego:

Ponieważ rzeczywista (użyteczna) pojemność robocza naczynia wzbiorczego zależy od wartości ciśnienia początkowego oraz końcowego, zaleca się przeliczenie pojemności naczynia w oparciu o poniższy wzór:

Należy zauważyć, że pojemność użyteczna może się różnić w znacznym stopniu od pojemności nominalnej.

Naczynie wzbiorcze należy tak usytuować, by nie było narażone na działanie wysokiej temperatury oraz uderzeń pary.

W przypadku instalacji narażonych na długotrwałą stagnację niezbędne jest stosowanie dodatkowych elementów zabezpieczających, jak np. przednaczynie, chłodnica cieczy roboczej, sterownik z odpowiednią funkcją.

Do każdego naczynia wzbiorczego dostarcza się zwykle elastyczne przyłącze ze stali nierdzewnej oraz szybkozłączkę umożliwiającą odłączenie naczynia bez potrzeby opróżniania instalacji.

Straty ciepła oraz wydłużenia cieplne

Bardzo ważnym zagadnieniem w instalacjach pozyskujących energię cieplną jest zadbanie o prawidłową izolację. Nie można dopuścić do sytuacji, w której pozyskana energia cieplna będzie tracona w wyniku zastosowania niewłaściwej izolacji cieplnej. Niedopuszczalne jest też wykonanie instalacji w sposób dopuszczający do wystąpienia przecieków w wyniku wydłużeń cieplnych przewodów.

Energia cieplna pozyskana przez kolektory słoneczne transportowana jest siecią przewodów do odbiornika ciepła. Rozróżnia się gałąź zasilania (gorącą) oraz powrotu (zimną). Należy w związku z tym zadbać, by gałąź zasilania była jak najkrótsza, gdyż występują w niej większe straty ciepła. Grubości izolacji cieplnej oraz jej parametry powinny zapewniać minimalne straty cieplne. Izolacja musi być ciągła, bez przerw.

Cechy dobrej izolacji to: odporność na wysokie temperatury (stagnacja) oraz warunki atmosferyczne i promieniowanie UV. Przyjmuje się, że minimalna grubość izolacji wynosi 20 mm. Trzeba jednak również pamiętać, że możliwe jest jej uszkodzenie przez ptaki lub inne zwierzęta.

W przypadku długich instalacji nie da się uniknąć strat ciepła, dlatego trzeba rozpatrzyć konieczność ich kompensacji poprzez zwiększenie powierzchni czynnej kolektorów słonecznych.

W tabeli 4 podano wartości jednostkowych wydłużeń cieplnych rur wykonanych z dwóch materiałów dla różnych przyrostów temperatury.

Połączenie kolektorów słonecznych w rzędy jest ważne nie tylko z punktu widzenia hydrauliki, ale również wydłużeń w rzędach. W tym przypadku kierować się należy zaleceniami producentów dotyczących stosowania kompensatorów wydłużeń. W niektórych kolektorach kompensatory wydłużeń stanowią integralną część urządzeń. W razie braku odpowiednich zaleceń należy zadbać o zastosowanie wystarczającej ilości elementów kompensacyjnych.      

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!