Łączenie elementów obwodu solarnego

Aby instalacja solarna pracowała prawidłowo, jej przewody i wszystkie inne elementy muszą spełniać wiele warunków. Podstawowe z nich to odporność na niskie temperatury (najniższe  występujące w zimie) i minimum 200°C w lecie (ewentualnie na jeszcze wyższe temperatury stagnacji), odporność na ciśnienia sięgające wartości maksymalnego ciśnienia roboczego z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa oraz na działanie cieczy solarnej. Należy także uwzględniać ogólne zalecenia techniki grzewczej i mechaniki płynów.

Zalecenia ogólne

Dla zapewnienia prawidłowych parametrów energetycznych instalacji solarnej strata ciśnienia w rurach nie  powinna przekraczać 1,5 mbara na metr bieżący przewodu, a zalecana prędkość przepływu nie może być większa niż 0,5 m/s. Maksymalna wartość prędkości przepływu w przewodach rurowych bezwzględnie nie powinna przekraczać 1 m/s, gdyż wyższe wartości skutkują nadmiernym zużyciem materiałów i występowaniem hałasów w rurach związanych z przemieszczaniem się cieczy.

Wymagana moc pompy solarnej (zgodnie z normą EN 12977-1) nie powinna być większa niż 1% maksymalnej mocy pola kolektorów. Przy mocy jednostkowej pola kolektorów rzędu 500 W/m² _kol odpowiada to wartości 5 W mocy elektrycznej pompy na m² _kol. Materiałami stosowanymi do przewodów są miedź, stal szara, stal nierdzewna i nierdzewne stalowe węże giętkie. W obwodzie kolektorów nie zaleca się stosowania rur z tworzyw sztucznych z uwagi na obciążenia termiczne oraz promieniowanie ultrafioletowe. Równocześnie nie należy stosować stalowych rur ocynkowanych ze względu na oddziaływanie cynku i glikolu.

Podstawę wyznaczania oporów przepływu cieczy roboczej w rurach stanowią diagramy prezentujące opory w funkcji strumienia przepływu, które opracowane są zwykle dla cieczy zawierających 50% glikolu i 50% wody, przy temperaturze 50°C. Z uwagi na fakt, że w naszej strefie klimatycznej ciecz roboczą stanowi mieszanina 40% glikolu i 60% wody, a strata ciśnienia powinna być wyznaczana przy temperaturze cieczy roboczej 20°C, diagramy takie mogą być stosowane jedynie do wstępnego wyznaczania oporów. Dla dokładnego określenia parametrów pompy obiegu solarnego należy posłużyć się wykresami szczegółowymi.

Sposoby łączenia kolektorów słonecznych

Łączenie szeregowe
W wypadku szeregowego połączenia kolektorów każdy z nich zasilany jest całkowitym strumieniem przepływu V_p pola kolektorów. Całkowita strata ciśnienia pola kolektorów wynosi Δ_p = n_s×Δ_k, gdzie ns stanowi liczbę kolektorów połączonych w szereg. Ponieważ straty ciśnienia sumują się, liczba kolektorów, które mogą być połączone w szereg, jest ograniczona. Kolektory łączy się w szereg zwykle w instalacjach pracujących w systemie low flow (wolny przepływ) w celu osiągnięcia długich odcinków grzewczych, a tym samym znacznego podwyższenia temperatury cieczy roboczej w trakcie przechodzenia przez kolektory.

Łączenie równoległe według Tichelmanna
W wypadku równoległego łączenia kolektorów każdy z nich zasilany jest strumieniem cząstkowym V_p/n_r, gdzie n_r jest liczbą kolektorów połączonych równolegle. Straty ciśnienia w kolektorach nie sumują się, oznacza to, że Δ_p = Δ_k. Ten sposób łączenia stosowany jest głównie w instalacjach pracujących w systemie high flow. W efekcie następuje niewielki przyrost temperatur przy znacznym strumieniu przepływu cieczy roboczej.

Łączenie kolektorów sposobem Tichelmanna wprowadzono w celu hydraulicznego zrównoważenia układu – równomierne przepływy prowadzą do identycznych strat ciśnienia we wszystkich kolektorach. Uzyskuje się to poprzez takie same długości przewodów zasilania i powrotu kolektorów.

Dla zobrazowania, jakie następstwa niesie za sobą brak tego układu, na rys. 3 pokazano przebiegi prędkości przepływu (kolor czerwony), oporów przepływu (kolor niebieski) oraz temperatury (kolor zielony) w poszczególnych kolektorach, jak również ich wartości średnie. Między wykresami widać wyraźną różnicę.

Kombinacja połączenia szeregowego i równoległego

W większych instalacjach solarnych stosuje się kombinację szeregowego i równoległego połączenia kolektorów w taki sposób, by uzyskać wymagany przyrost temperatury oraz jak najbardziej równomierny strumień przepływu przy możliwym do zaakceptowania poziomie oporów ciśnienia (rys. 4). Jeżeli całkowita strata ciśnienia jest zbyt wysoka, pole kolektorów musi być podzielone na mniejsze pola, wówczas Δ_p = n_s×Δ_k.

Obliczanie strat ciśnienia w polu kolektorów

W dużych instalacjach solarnych pole kolektorów musi być podzielone na wiele mniejszych. Wzajemne połączenia kolektorów muszą być wykonane w taki sposób, by straty ciśnienia w poszczególnych obszarach były możliwie identyczne. Równomierny strumień przepływu we wszystkich polach kolektorów jest elementem decydującym o dobrym uzysku solarnym instalacji. Przy dużej liczbie kolektorów połączonych równolegle uzyskuje się to zwykle, wykorzystując metodę Tichelmanna. W tym wypadku droga medium roboczego przez absorbery jest identyczna. Średnica rur rozdzielczych i zbiorczych jest stopniowana.

Mimo stosowania tych zasad w praktyce pojawia się czasem konieczność wykorzystania dodatkowych elementów w postaci zaworów regulujących przepływ na poszczególnych gałęziach instalacji. Wykorzystując charakterystykę strat przepływu kolektora podaną przez producenta, należy odczytać opory przepływu dla zadanej wartości strumienia. Należy również przestrzegać zaleceń producenta w stosunku do schematów instalacji. Zdarza się, że producenci podają stratę ciśnienia dla 2 do n kolektorów połączonych w szereg oraz układu mieszanego składającego się z kombinacji układu szeregowego i równoległego.

W szeregowym połączeniu kolektorów straty ciśnienia w poszczególnych kolektorach sumują się. Natomiast w połączeniu równoległym sumują się straty ciśnienia w rurach zbiorczych. Całkowitą stratę ciśnienia pola kolektorów oblicza się następująco:

gdzie:

Δ_p – całkowita strata ciśnienia w polu kolektorów [Pa, bar],

Δ_k – strata ciśnienia w pojedynczym kolektorze [Pa] dla przepływu masowego V_p/nr [Pa],

n_s – liczba kolektorów połączonych w szereg,

n_r – liczba gałęzi kolektorów połączonych równolegle,

V_p – strumień przepływu przez całe pole kolektorów [m³/s, l/h].

W tab. 1 podano wartości zalecanych dopuszczalnych strat ciśnienia całego pola kolektorów. Jeżeli pole kolektorów ma pojemność medium większą niż 50 litrów, należy podzielić je na mniejsze pola. Powinny one mieć możliwość odcięcia oraz zawór bezpieczeństwa i odpowietrznik.

Wydłużenia cieplne przewodów rurowych

W tab. 2 podano wartości jednostkowych wydłużeń cieplnych rur wykonanych z dwóch materiałów dla różnych wartości przyrostów temperatury. Wzajemne połączenie kolektorów słonecznych w rzędy jest ważne nie tylko z punktu widzenia hydrauliki, ale również w kontekście wydłużeń w rzędach. W tym wypadku kierować się należy zaleceniami producentów odnośnie do stosowania kompensatorów wydłużeń. W niektórych kolektorach kompensatory wydłużeń stanowią ich integralną część. W razie braku zaleceń należy zadbać o zastosowanie wystarczającej liczby elementów kompensacyjnych.

Dobór pomp

Określenie całkowitych oporów przepływu pozwala dobrać typoszereg pompy ze stosownego wykresu. Opory przepływu na wykresach przeliczone są na wysokość słupa wody. W instalacjach high flow opory przepływu w kolektorach są zwykle niższe niż w instalacjach low flow, co jest wynikiem stosowania równoległego łączenia kolektorów. Strumień przepływu (przez całe pole kolektorów) jest jednak w instalacjach low flow niższy, co prowadzi w efekcie do mniejszych mocy pomp niż w instalacjach high flow (nawet 30-proc. różnica).

W typowych instalacjach low flow punkt pracy pompy leży zwykle w obszarze jej małej sprawności (lewy górny fragment wykresu na rys. 5), może to spowodować znaczny spadek wydajności pompy już przy niewielkim wzroście oporów przepływu. Zaleca się więc takie zwymiarowanie hydrauliki, by pompa pracowała poza tym obszarem.

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

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!