Prawidłowy montaż instalacji solarnej

Montaż orurowania

Praktycznie wszystkie firmy sprzedające tzw. kompletne zestawy solarne oferują je bez przewodów rurowych ze względu na fakt, że długość orurowania jest zwykle niemożliwa do precyzyjnego oszacowania bez przeprowadzenia wizji lokalnej u użytkownika. Zatem dobór średnic rur leży zwykle w gestii instalatora.

Zdarza się jednak często, że instalatorzy, nie mając czasu na dokładne zapoznanie się z zaleceniami producentów kolektorów słonecznych i wiedząc, że klienci oczekują jak najniższej ceny montażu instalacji, proponują rozwiązania „niestandardowe”. Pół biedy, jeśli zaproponują oni niewłaściwe średnice rur z miedzi lub, co jest gorszym rozwiązaniem, zdecydują się zastosować rury ocynkowane (cynk wchodzi w reakcję z glikolem, powodując przyspieszone starzenie się rur). Jednak najgorszym rozwiązaniem jest zastosowanie rur z tworzyw sztucznych.

Większość firm z branży solarnej zaleca stosowanie rur miedzianych ze względu na zalety tego materiału:

• odporność na starzenie się i niezmienne właściwości mechaniczne wraz z upływem czasu,
• odporność na dyfuzję tlenu, co pozwala ograniczyć stosowanie inhibitorów lub wymienników ciepła,
• łączenie rur miedzianych za pomocą lutowania, zaprasowywania i zacisków jest uznawane za bezpieczne i pozwala dowolnie rozlokować przewody,
• miedź nadaje się do recyklingu, a rury nie są odpadem niebezpiecznym,
• sieć przewodów z miedzi może być bez problemów rozbudowywana nawet po latach.

Często pojawiają się pytania, jaką miedź stosować – twardą czy miękką? Trudno jednoznacznie wskazać na konkretny rodzaj rur, choć stosowanie rur miękkich może nieść za sobą pewne niebezpieczeństwa. Zdarza się dość często, że instalatorzy, układając sieć przewodów, zapominają o potrzebie montażu rur z niewielkim wzniosem w kierunku kolektorów, a wykorzystując rury z kręgu, nie dbają o ich wyprostowanie i właściwe uchwycenie (fot. 1).

Warto dodać, że identyczny problem może wystąpić przy wykorzystaniu elastycznych węży karbowanych ze stali nierdzewnej, które również dostarczane są w kręgach. Może być on nawet większy ze względu na gromadzenie się powietrza w karbach węża, a co za tym idzie, niebezpieczeństwo zatrzymania obiegu medium grzewczego po powstaniu poduszki powietrznej w rurze.

Jest to szczególnie niebezpieczne w przypadku rur przykrytych warstwą ocieplenia dachu. Jak wspomniano, rury powinny być prowadzone tak, by wznosiły się w kierunku kolektorów. Co jednak zrobić w sytuacji, gdy kolektory zostały umieszczone przed budynkiem, poniżej poziomu kotłowni?

Autor spotkał się z dwiema próbami rozwiązania tego problemu. W pierwszej koncepcji, ze względu na możliwość zbierania się powietrza w najwyższym punkcie instalacji, czyli załamaniu rur nad grupą solarną, instalator zabudował automatyczne odpowietrzniki. Jest to działanie prawidłowe, ale nierozwiązujące problemu do końca. Co się bowiem stanie w momencie eksploatacji instalacji w zakresie wysokich temperatur?

Woda będąca składnikiem cieczy solarnej zacznie wtedy wrzeć, w instalacji pojawi się powietrze, które naturalnie wydostanie się z niej na zewnątrz przez automatyczny odpowietrznik, ponieważ zbierając się pod pływakiem, nie będzie w stanie podnieść go do góry i zamknąć. W efekcie w instalacji obniżać się będzie ciśnienie, a gęstość cieczy będzie rosła w wyniku wzrostu udziału glikolu.

Inny instalator analizujący ten przypadek uznał, że nie należy się obawiać poduszki powietrznej. Jego zdaniem, jeśli instalacja została prawidłowo odpowietrzona w trakcie napełniania, ciśnienie wstępne w naczyniu i ciśnienie instalacji zostały odpowiednio dobrane, można spać spokojnie. Jest to również myślenie prawidłowe – do pierwszego wyłączenia prądu w trakcie dużej ekspozycji słonecznej. Chyba że zastosowano awaryjne zasilanie lub inne zabezpieczenia, co problem wyeliminuje.

Warto podkreślić konieczność zasyfonowania króćców zasobników – to standardowe rozwiązanie polecane podczas szkoleń dotyczących montażu kolektorów organizowanych przez renomowane firmy. Jak wiadomo, ciepłe medium ma tendencję do przemieszczania się w górę króćca (rys. 1).

Zjawisko cyrkulacji naturalnej (konwekcji) nie jest jednak łatwe do wychwycenia, gdyż rura z zewnątrz jest zimna, a ciepło przemieszcza się w jej osi. Ciepło jest więc wysysane ze zbiornika, a użytkownik skarży się, że zasobnik się wychładza. Temu problemowi można zapobiec poprzez zasyfonowanie króćców lub/oraz zastosowanie zaworów zwrotnych antygrawitacyjnych. Instalatorzy jednak często uważają, że skoro każda grupa solarna ma zawory zwrotne, problem jest rozwiązany i syfonu stosować nie trzeba. Jest to błędne przekonanie – rzeczywiście każdy zawór zwrotny zapobiega przepływowi medium w niewłaściwym kierunku, ale czy zapobiega też niepożądanej cyrkulacji?

W sytuacji, gdy ciecz znajdująca się pod i nad zaworem ma identyczną temperaturę, problem nie występuje. Pojawia się on jednak, gdy do zaworu zwrotnego dopłynie ciepłe medium wydostające się z zasobnika. Ciecz nad zaworem ma niższą temperaturę i większą gęstość, a co za tym idzie masę, i naciska na sprężynę zaworu, może więc dojść do jego otwarcia (dodatkowo ciepło wykorzystuje najmniejsze nieszczelności, np. mikronierówności powierzchni). Mimo to wielu instalatorów oszczędza, stosując grupy pompowe jednodrożne, a wówczas zaworu na gałęzi zasilania w ogóle nie ma. Renomowane firmy stosują specjalne elementy blokujące wypływ ciepła z zasobnika, są one jednak kosztowne.

Instalatorzy często uważają, że skoro stosują przewody solarne o średnicy 15 mm, to prawdopodobieństwo cyrkulacji jest znikome. Nie jest tak jednak do końca. Stosując rury o średnicy 15 mm, doprowadzamy do powstania zjawisk, które mogą się niekorzystnie odbić na pracy instalacji solarnej. Większość króćców w kolektorach słonecznych ma większe średnice, nie mówiąc już o króćcach grup pompowych i zasobników solarnych. Wymaga to zastosowania złączek przejściowych lub elementów pozwalających na podłączenie przewodów magistrali solarnej do podstawowych podzespołów.

Każdy taki element jest źródłem dodatkowych oporów i zaburzeń przepływu i miejscem potencjalnych przecieków. Medium robocze przemieszczające się w rurce o średnicy 15 mm z określoną prędkością (zwykle dużą nawet przy małym natężeniu przepływu, a w każdym razie większą niż w przypadku rury o większej średnicy) „wpada” do króćca wężownicy solarnej i w wyniku zmiany średnicy nagle wytraca prędkość. Każde takie zdarzenie zaburza przepływ, a do tego powstaje w miejscu, gdzie gorąca ciecz solarna powinna oddać jak najwięcej ciepła wężownicy, a co za tym idzie, wodzie użytkowej.

Jeśli większy przepływ jest wymagany (kilka kolektorów w zestawie), stosowanie małej średnicy rur prowadzi do dużych prędkości przepływu, czyli niepożądanej głośnej pracy instalacji.

Natomiast w przypadku, gdy w instalacji dochodzi do zjawiska stagnacji i gorąca para zostaje wypychana z kolektorów słonecznych w stronę przewodów solarnych, odcinek, na którym zjawisko to występuje, jest tym dłuższy, im mniejsza jest średnica przewodów. Wynika to z pojemności wodnej rury oraz ilości energii, jaką jest ona w stanie zakumulować. Może to prowadzić do niepotrzebnych obciążeń cieplnych elementów instalacji, np. naczynia wzbiorczego, jeśli jest ono umieszczone nad pompą.

Trzeba równocześnie pamiętać, że jednostkowe straty ciepła są w rurach o małej średnicy najmniejsze, oczywiście pod warunkiem, że instalator nie zapomni o zastosowaniu prawidłowej izolacji cieplnej.

Montaż kolektorów

Jednym z najważniejszych etapów montażu instalacji solarnej jest prawidłowe wykonanie posadowienia i przyłączy kolektorów słonecznych. Chodzi tu przede wszystkim o właściwe usytuowanie i zamocowanie kolektorów na połaci dachowej lub w miejscu przewidzianym do ich umieszczenia i poprowadzenie przewodów. Poniżej podano kilka uwag, które pozwolą uniknąć błędów w montażu.

Prawidłowa lokalizacja kolektorów pozwala na uzyskanie maksymalnego uzysku energetycznego instalacji solarnej, a co za tym idzie, na skrócenie okresu zwrotu kosztów inwestycji. Z uwagi na konieczność umieszczenia kolektorów słonecznych w miejscu o najlepszej ekspozycji słonecznej, montuje się je najczęściej na dachach budynków. Występują trzy podstawowe warianty takiego montażu omówione poniżej.

Kolektory umieszczone na nachylonej połaci dachowej na konstrukcji mocującej (fot. 2). Zaletą takiego sposobu mocowania jest praktyczne nienaruszanie połaci dachowej, a przy prawidłowym montażu dodatkowe obciążenia związane z montażem kolektorów na dachu przenoszone są na jego konstrukcję nośną. Ponieważ między kolektorem a połacią dachową istnieje wolna przestrzeń, kolektor płaski musi mieć po tej stronie na dnie płytę odporną na działanie czynników atmosferycznych, zdolną do uniesienia izolacji cieplnej.

Kolektory wpuszczane w połać dachu. Kolektory posadowione są na kontrłatach konstrukcji dachowej i mają oblachowanie podobne do okien dachowych. W przypadku montażu w budynkach znajdujących się w trakcie budowy mogą zostać zintegrowanie z połacią dachową.

Kolektory na konstrukcjach wolno stojących. Przypadek ten występuje wtedy, gdy dach jest płaski lub gdy nie ma możliwości bezpośredniego posadowienia na połaci dachowej, na przykład ze względu na brak ekspozycji słonecznej. Konstrukcja taka jest zwykle bardziej narażona na działanie warunków atmosferycznych. Połać dachowa, na której umieszczane są kolektory, musi umożliwiać im długotrwałą pracę (żywotność kolektorów wynosi ponad 20 lat).

Należy w związku z tym uwzględnić przed montażem kilka aspektów:

• Konstrukcja dachu powinna mieć parametry zapewniające przeniesienie dodatkowych obciążeń związanych z posadowieniem kolektorów słonecznych. Te obciążenia to głównie ciężar kolektora napełnionego cieczą, ciężar śniegu zalegającego na kolektorze oraz napór wiatru. Renomowane firmy korzystają z programów do wyznaczania sumarycznego obciążenia wywołanego montażem kolektorów z uwzględnieniem kierunku naporu wiatru, co pomaga im w prawidłowym projektowaniu konstrukcji mocujących – na rysunku 2a pokazano przykładowo pole nacisków na kolektor, gdy wiatr wieje z jego przodu, a na rysunku 2b – gdy wieje z tyłu.
• Połać dachu powinna być w takim stanie, by po montażu kolektorów nie była konieczna jej renowacja, podczas której należy zdemontować urządzenia.
• Powierzchnia dachu powinna umożliwiać montaż całego zestawu kolektorów, tak by poszczególne urządzenia wzajemnie się nie zacieniały. Nie może też być zacieniana przez np. drzewa czy sąsiednie budowle itd.
• Dach powinien mieć minimalną ilość elementów utrudniających instalację kolektorów (tj. kominów, nadbudówek, szybów wentylacyjnych, świetlików), ponieważ ich duża ilość może powodować konieczność rozbicia zestawu kolektorów na małe pola, co podraża inwestycję i obniża jej sprawność.
• Połać dachu nie musi być usytuowana dokładnie na południe, odchylenie od azymutu północ–południe rzędu +/–45° nie powoduje znaczącej redukcji uzysku energetycznego kolektorów, co zobrazowano na rysunku 3. dla wybranej lokalizacji i instalacji pracującej przez cały rok.
• Jeśli kolektory pracują głównie latem (np. w instalacji do podgrzewu wody basenowej), można je montować bardziej płasko (rys. 4).
• Jeżeli okres działania kolektorów przypada na okresy przejściowe i zimę (np. instalacje do wspomagania ogrzewania budynków), powinny być usytuowane pod większym kątem (rys. 5).
• Aby nie dochodziło do zacienienia kolektorów ustawionych w bateriach pracujących przez cały rok, nawet przy najniższym położeniu Słońca, trzeba im zapewnić odpowiednią odległość. Oznacza to konieczność ustalenia wartości kąta minimalnego wysokości Słońca dla określonej szerokości geograficznej. Można skorzystać z gotowych programów pozwalających na wykreślenie trajektorii ruchu Słońca i ustalenie tej wartości z otrzymanego wykresu.
• Znając wartość kąta padania promieni słonecznych α (położenia Słońca), można wyznaczyć odległość rzędów kolektorów wymaganą, aby uniknąć zacienienia. Przykładowo dla kolektorów o wysokości h = 2 m przy kącie nachylenia kolektorów β = 450 oraz kącie położenia Słońca w grudniu wynoszącym α = 180 wymagana odległość rzędów kolektorów wynosi L = 6,4 m. Oczywiście gdy instalacja jest wykorzystywana okresowo (np. kolektory do podgrzewu wody basenowej), to minimalna wartość kąta α padania promieni słonecznych jest wyższa i rzędy kolektorów można znacznie zagęścić. Jednocześnie można się zdecydować na obniżenie wartości kąta β nachylenia kolektorów, co dodatkowo pozwoli na rozmieszczenie ich większej ilości (fot. 5).
• W przypadku kolektorów montowanych poziomo istnieje możliwość ustawienia większej liczby szeregów. Trzeba przy tym pamiętać o zwiększonej szerokości takich kolektorów, co z kolei utrudnia ustawienie większej liczby urządzeń w szeregu.

Każdy przypadek montażu wymaga zatem analizy możliwości maksymalizacji uzysku energetycznego z kolektorów. Niejednokrotnie dla uzyskania wymaganego efektu energetycznego niezbędne jest budowanie dodatkowych konstrukcji wsporczych, na których posadawiane są kolektory słoneczne (stanowią one oczywiście dodatkowe obciążenie dachu). Natomiast jeśli połacie dachu usytuowane są na wschód i zachód, montuje się na nich kolektory, zwiększając ich powierzchnię czynną dla rekompensaty strat uzysku energetycznego związanego z niekorzystnym położeniem dachu.

Bez względu na to, czy kolektory są wykorzystywane w ciągu całego roku, czy nie, przez cały rok narażone są na działanie warunków atmosferycznych, dlatego w okresie bezczynności powinny być odpowiednio zabezpieczone (należy je przykryć, opróżnić instalację itd.).

Jeśli kolektory zostaną źle umiejscowione, w miejscu częściowo zacienionym, to kilka z nich nie będzie „grzało”, a ich rurki przepływowe mogą się zbyt szybko zużywać w wyniku tłoczenia przez pompę zimnej cieczy o dużej gęstości. Gdy dodatkowo cały układ jest źle wykonany, może dochodzić do wychładzania zasobników ciepłej wody użytkowej lub buforów ciepła.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!