Jak powiązać kondensacyjne kotły gazowe z instalacją solarną

Energia słoneczna

Przyjrzyjmy się, co możemy uzyskać ze Słońca, oczywiście w polskich warunkach. Słońce jako źródła ciepła jest znane każdemu. Gdy jednak zastanowimy się, jak je wykorzystać do ogrzania budynków lub przygotowania ciepłej wody użytkowej, sprawa się trochę komplikuje. Wielu odpowie, że temu służą kolektory słoneczne, które coraz częściej zobaczyć można na dachach domów. Musi się zatem opłacać ich instalowanie, skoro „ciemne płyty” stają się tak popularne.

Aby móc ocenić możliwości kolektorów, należałoby przypomnieć parę pojęć z nimi związanych. Podjęte w ciągu ostatniego stulecia badania Słońca ujawniły wiele nowych faktów dotyczących natury emitowanej przez nie energii. Udało się dokładnie rozpracować skład docierających do naszej planety wiązek promieniowania. W 99% składa się na nie krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 0,1 do 4 mikrometrów (urn), z czego 45% przypada na promieniowanie widzialne, czyli światło, którego barwy zdolne jest zarejestrować ludzkie oko (0,38–0,76 urn). 46% stanowią promienie podczerwone, czyli fale dłuższe, od ok. 0,76 do 2000 urn, odczuwane w postaci ciepła, a 8% to promieniowanie nadfioletowe (ultrafioletowe) o długości fali mniejszej od 0,38 urn. W trakcie przechodzenia przez atmosferę ziemską promieniowanie ulega osłabieniu na skutek pochłaniania, odbicia i rozproszenia w atmosferze. Tylko niespełna 50% emisji słonecznej dociera z górnej granicy atmosfery do powierzchni kuli ziemskiej.

Promieniowanie słoneczne jest charakteryzowane różnymi wielkościami (występuje nawet pewna niezgodność pojęć i oznaczeń), z których trzy są, w uproszczeniu, najbardziej istotne:

• Promieniowanie słoneczne całkowite G (całkowite natężenie promieniowania [W/m²]), które jest sumą promieniowania bezpośredniego Gf i rozproszonego Gc, czasem uwzględnia się również promieniowanie odbite od otoczenia. Całkowite promieniowanie słoneczne określane jest jako natężenie promieniowania słonecznego dochodzącego z całej półkuli niebieskiej na płaską, poziomą powierzchnię.

• Napromieniowanie H [J/m²] lub [kWh/m²] składające się z sumy napromieniowania bezpośredniego (nazywanego często nasłonecznieniem), rozproszonego i odbitego, przedstawiające energię padającą na jednostkę powierzchni w ciągu określonego czasu (roku, miesiąca, dnia, godziny); używa się również innych określeń, np. „średnie sumy promieniowania”, „insolacja”.

• Usłonecznienie [h] przedstawiane średnimi (w określonym czasie) liczbami godzin z bezpośrednio widoczną operacją słoneczną.

Praktyczne wykorzystanie energii promieniowania słonecznego wymaga oszacowania potencjalnych i rzeczywistych jej zasobów i dostosowanej do potrzeb technologii jej przetwarzania. Średnie roczne napromieniowanie padające na powierzchnię poziomą mieści się w przedziale 950–1150 kWh/m²; najwyższe jest w północnej części kraju. Najsilniejsze napromieniowanie słoneczne obserwuje się w czerwcu, np. w Warszawie średnia wartość miesięczna napromieniowania osiąga wtedy 160 kWh/m². Najniższe napromieniowanie notowane jest w grudniu, a jego średnia miesięczna wynosi ok. 11 kWh/m². Od października do kwietnia dostępne jest tylko około 20% całkowitego rocznego napromieniowania.

Widać zatem, że w warunkach polskich nie można zakładać, że korzystając tylko z energii słonecznej, da się ogrzać budynek, który potrzebuje według obliczeń strat ciepła np. 12–14 kW mocy urządzeń grzejnych. Moc kolektora słonecznego w sezonie zimowym spada do 7% wartości, którą można uzyskać w lecie. Powinniśmy ciepło gromadzić, kiedy jest, i pobierać, gdy jest potrzebne. Jest to możliwe, gdy mamy dostatecznie duże akumulatory ciepła, a z tym, niestety, nie jest najlepiej. Trwają prace nad skonstruowaniem zasobników ciepła z wykorzystaniem parafiny i przemian dwufazowych (parowanie – kondensacja), ale są to w większości przypadków dopiero prace laboratoryjne.

W Hiszpanii i Niemczech istnieją budynki, pod którymi konstruktorzy umieścili duże zbiorniki ciepłej i zimnej wody, ale tam zastosowano kolektory słoneczne powiązane z pompą ciepła, a nie kotły kondensacyjne. Pompa ciepła pozwala zbędne ciepło lub chłód (do klimatyzacji) gromadzić w wodzie, w zbiornikach o takiej pojemności, że ciepło i chłód prawie się bilansują. Jednak trudno zastosować te rozwiązania w małych obiektach, w których nie ma miejsca na takie zbiorniki. Poczekajmy więc, aż powstaną dobre akumulatory ciepła i wtedy przystąpmy do projektowania ogrzewania opartego na kolektorach słonecznych. Przytoczone wcześniej dane dotyczące pracy kotła kondensacyjnego w instalacji c.o. pokazują, że gdyby problem magazynowania ciepła udało się rozwiązać, to parametry wody uzyskiwane w kolektorach słonecznych dobrze pasują do parametrów pracy kotła.

Instalacja pakietu

Co w takim razie można zrobić? Bardzo dobrym rozwiązaniem jest wykorzystanie słońca do przygotowania c.w.u. Ilość potrzebnej ciepłej wody jest możliwa do dokładnego określenia, w przeciwieństwie do ilości ciepła koniecznej do ogrzania budynku. Pierwsza wielkość zależy od liczby osób w gospodarstwie domowym i sposobu używania ciepłej wody, co jest łatwe do obliczenia. Druga – od temperatury na zewnątrz budynku i okresu trwania niskich temperatur, a tego nie da się jednoznacznie określić.

Po ustaleniu ilości c.w.u. można określić powierzchnię kolektorów słonecznych, a to jest podstawą projektu instalacji słonecznej. Na schemacie przedstawiono instalację c.o. i c.w.u. (rys. 1), w skład której wchodzą gazowy kocioł kondensacyjny, zasobnik c.w.u. i kolektor słoneczny. W sezonie grzewczym kocioł załącza się, aby ogrzać dom.

Zespół solarny włączony w układ sterowania kotłem dba o to, aby zasobnik ciepłej wody był podgrzewany energią słoneczną, jak długo jest to możliwe, oraz blokuje cyrkulację czynnika grzejnego przez kolektor słoneczny, gdy temperatura w zasobniku ma więcej niż 60°C, bo jest to maksymalna dopuszczalna temperatura. Blok sterujący instalacją słoneczną może być wbudowany w kocioł kondensacyjny (rys. 2) lub umieszczony poza kotłem (rys. 3).

Ten przypadek występuje najczęściej, gdy zasobnik c.w.u. nie tworzy jednego zespołu z kotłem gazowym, ale jest wolno stojącym elementem instalacji. Pojemność takiego zasobnika jest większa niż 170 l.

Na konkretnym przykładzie pracującego układu kocioł kondensacyjny – kolektory słoneczne chciałbym przekazać parę uwag praktycznych, które być może pomogą w podjęciu decyzji, czy taką instalację wykonać. Dla domu jednorodzinnego, znajdującego się na skraju lasu, decyzję o zainstalowaniu kolektorów słonecznych podjęto dość późno (było już wykonane ocieplenie i położone płyty gipsowo-kartonowe), co wpłynęło na pewne rozwiązania wymuszone stanem istniejącym. Jedynym miejscem nadającym się do ustawienia kolektorów słonecznych była połać dachu nad garażem (po stronie południowej), ale nie można było położyć kolektorów obok siebie, a tylko po obu stronach okna dachowego. Dla rodziny czteroosobowej przyjęto dwa kolektory płaskie, połączone rurami stalowymi elastycznymi z układem Cerasmart Moduł Solar, ze 170-litrowym zasobnikiem ciepłej wody użytkowej. Instalacja solarna została zaprojektowana tylko na potrzeby ciepłej wody.

Jeżeli chcemy, aby wykorzystanie energii słonecznej było większe, musimy dokładnie informować inwestorów, co i jak należy robić, aby z takiej instalacji mieć nie tylko korzyści, ale także satysfakcję ze zmniejszania zanieczyszczeń atmosfery.

Kolektory, aby można je było maksymalnie wykorzystać, powinny być skierowane w odpowiednim kierunku i mieć prawidłowe nachylenie. Zatem architekt powinien mieć przynajmniej podstawową wiedzę na temat kolektorów i ich instalowania. Gdy decydujemy się na zastosowanie zasobników o większej pojemności, należy przewidzieć na nie miejsce.

Najlepiej, gdy połączenie zespołu solarnego z kolektorami i zasobnikiem nie ma zbyt wielu połączeń pośrednich. Sprzedawcy zwykle oferują różnego rodzaju rury do takich połączeń – z miękkiej miedzi lub stali nierdzewnej w formie węża. W opisywanej instalacji zastosowano to ostatnie rozwiązanie. Warto wziąć je pod uwagę, bo producenci oferują specjalne jego wykonanie.

Można zamówić od razu dwie rury biegnące obok siebie, mające indywidualną i wspólną izolację, dodatkowo między nimi umieszczony jest kabel prowadzący od czujnika temperatury w kolektorze do układu sterującego instalacją słoneczną. Dzięki temu przewody zasilający i powrotny nie mają połączeń pośrednich. Jedno połączenie znajduje się przy kolektorze, a drugie przy wężownicy zasobnika ciepłej wody. Wytrzymałość instalacji to min. 10 barów i żadna temperatura mogąca wystąpić w instalacji solarnej nie jest dla tego połączenia groźna.

Producenci oferują zwykle kompletne zestawy kotła z zasobnikiem, kolektorami słonecznymi i rurami łączącymi to wszystko w jedną instalację. Jeżeli decydujemy się na „składankę”, a nie kompletny zestaw jednego oferenta, musimy pamiętać, aby poszczególne elementy zastosowane w instalacji solarnej były odpowiednie dla czynnika i temperatur, które w takim układzie panują. Dotyczy to przede wszystkim odporności na glikol uszczelek i przepony w naczyniu rozszerzalnym oraz odpowietrzników odpornych na glikol i na podwyższoną temperaturę czynnika. Na pewno nie nadają się odpowietrzniki z elementami z polietylenu i polipropylenu.

Warto wspomnieć o łączeniu ze sobą kolektorów. Gdy leżą obok siebie – odpowiednie kształtki łączą kolektory ze sobą i otrzymujemy jedną szeroką płytę. W opisanej realizacji kolektory są oddalone od siebie o ponad 1,30 m i wymagały zastosowania dodatkowych rur. Przed ich zamówieniem należy sprawdzić, jakie powinny być ich średnice i jak połączyć je z kolektorami.

Literatura

1. Kosieradzki J., Kolektory słoneczne w polskich warunkach, „COW” nr 6/2008.

2. Materiały techniczne firm: FAMAS, Junkers, Vaillant, Viessmann, Termet, De Dietrich, Ariston i Beretta.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!