 |
strona główna
| Poradnik instalatora |
|
|
Poradnik instalatora |
| |
| Systemy solarne - wytyczne projektowe
|
Systemy solarne
Wytyczne projektowe
Spis treści:
1) Wybór typu kolektora
2) Dobór wielkości powierzchni kolektorów oraz ich ukierunkowanie
3) Dobór wielkości zasobnika ciepła
4) Wybór regulacji systemu solarnego
5) Dobór pompy obiegowej
6) Ciśnienie w systemach solarnych, dobór zaworu bezpieczeństwa
naczynia spansyjnego
7) Odpowietrzanie
8) Instalacja, rury i izolacja
9) Przykłady podłączenia
Słońce dostarcza na ziemię ogromne ilości energii, której nie wykorzystujemy a ciepło wytwarzamy z innych źródeł. Ceny energii cieplnej pozyskiwanej z tradycyjnych źródeł energii wciąż wzrastają, a ich zasoby z roku na rok maleją. Tak więc coraz więcej osób zaczyna poszukiwać alternatywnych źródeł energii, które można wykorzystywać prawie za darmo.
Koszty instalacji oraz urządzeń które wykorzystują alternatywne źródła energii, spadają wraz z coraz ich szerszą produkcją w przeciwieństwie do klasycznych źródeł energii których ceny wciąż wzrastają.
Słońce można wykorzystać, jako źródło ciepła do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, wspomagania układu c.o, lub przy zastosowaniu fotoogniw do bezpośredniej produkcji energii elektrycznej. Sprawność systemów z fotoogniwami wynosi około 15% a inwestycja osiąga wartość od 21 000 do 35 000 zł na 1 kW zainstalowanej mocy. W systemach solarnych przeznaczonych do ogrzewania wody, koszt ten wynosi tylko 1400 – 4000 zł na 1 kW zainstalowanej mocy.
Jedynym problemem ze słońcem, jako źródłem energii jest nierónwomierność światła słonecznego, oraz natężenia promieniowania w ciągu roku. Latem, średnia energia padająca na 1 m2 powierzchni ziemi w miesiącu, waha się w granicach 160-170 kWh, a w zimie wynosi ona tylko w przybliżeniu 20 kWh.
Średnioroczne wartości promieniowania całkowitego G dla poszczególnych miejscowowści
|
Miejscowość |
G [kWh/m2rok] |
Miejscowość |
G [kWh/m2rok] |
Miejscowość |
G [kWh/m2rok] |
|
Białystok |
1070 |
Kołobrzeg |
1072 |
Rzeszów |
1080 |
|
Bydgoszcz |
1080 |
Kraków |
1092 |
Sandomierz |
1137 |
|
Chełm |
1091 |
Lublin |
1107 |
Suwałki |
1065 |
|
Cieszyn |
1036 |
Łódź |
1076 |
Szczecin |
1029 |
|
Częstochowa |
1073 |
Olsztyn |
1056 |
Tarnów |
1102 |
|
Elbląg |
1082 |
Opole |
1037 |
Toruń |
1076 |
|
Gdańsk |
1081 |
Płock |
1084 |
Ustka |
1069 |
|
Kalisz |
1078 |
Poznań |
1044 |
Warszawa |
1081 |
|
Katowice |
1054 |
Przemyśl |
1085 |
Wrocław |
1089 |
|
Kielce |
1130 |
Radom |
1099 |
Zamość |
1088 |
Fakt że słońce świeci najintensywniej w ciągu lata, a najmniej intensywnie w zimie, powoduje że nie można efektywnie wykorzystać energii słonecznej do ogrzewania c.o. Zimą zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania jest największe, a promieniowanie słoneczne najmniejsze. Również jego wykorzystanie jest mniejsze ze wzgledu na mniejszą sprawność kolektora przy niższych temperaturach zewnętrznych. Nie jest możliwe, zakumulowanie energii cieplnej pozyskanej ze słońca w lecie tak, aby można ją było potem wykorzystać zimą. Ciepło akumuluje się na co najwyżej 1 – 1,5 dziennego zapotrzebowania, a gdy słońce nie świeci wodę ogrzewa się za pomocą innego źródła.
Dlatego wykorzystanie ciepła ze słońca, polega głównie na podgrzewaniu ciepłej wody użytkowej, której zapotrzebowanie przez cały rok jest równe lub na ogrzewaniu basenu w sezonie letnim. Dla dogrzewania układu c.o. najlepszymi porami roku są okresy przejściowe wiosna-jesień. Takie wykorzystanie kolektorów słonecznych, wymaga poczynienia znacznie większych inwestycji niż dla kolektorów przeznaczonych wyłącznie do podgrzewania wody użytkowej. Korzystna jest zatem kombinacja systemu dogrzewania wody c.o. zimą, oraz ogrzewania wody w basenie latem. W takim przypadku, zainstalowana duża powierzchnia kolektorów wykorzystywana jest przez cały rok.
Sposób zaprojektowania odpowiedniego systemu solarnego można przedstawić według kilku poniższych punktów:
1) Wybór typu kolektora
Kolektor słoneczny, musi spełniać dwie podstawowe funkcje – absorbować jak najwięcej energii cieplnej z promieniowania słonecznego które na niego pada (współczynnik absorbcji w najlepszych kolektorach osiąga wartość 95%), przekazać efektywnie pozyskane ciepło do płynu grzewczego a przy tym jak najmniej go utracić dzięki własnym stratom. Absorbcyjność większości kolektorów na rynku jest na dobrym poziomie (również czarny chrom posiada dobrą absorbcyjność promieniowania słonecznego). Duże różnice natomiast, wystepują w stratach cieplnych kolektorów Straty są z jednej strony poprzez szklo kolektora i skrzynię obudowy, a z drugiej strony poprzez konwekcję (unoszeniem powietrza nad ansorberem a dopiero potem przewodzeniem przez szkło kolektora) i promieniowanie powierzchni absorbera do otoczenia. Właśnie ta strata, pośród innych strat kolektora ma bardzo duży udział i zwraca się na nią szczególną uwagę.
Przy eksploatacji kolektora podczas gorących dni w lecie z niską temperaturą czynnika grzewczego, straty cieplne są bardzo małe a różnice pomiędzy poszczególnymi typami kolektorów są również niewielkie. Straty cieplne kolektora, zaczynają być znaczące przy większych różnicach temperatur płynu grzewczwgo wewnątrz kolektora i otoczenia – tzn przy ogrzewaniu płynu grzewczego do wyższej temperatury, lub w okresie zimowym gdy temperatura otoczenia jest niska. Oczywiście również przy mniejszym natężeniu promieniowania słonecznego, udział strat w całkowitym bilansie kolektora będzie znaczący. Dlatego należy zwracać szczególną uwagę na dobór odpowiedniego kolektora zarówno przy wykorzystaniu go do dogrzewania c.o, całorocznego ogrzewania basenu czy ogrzewania c.w.u. Przy sezonowym ogrzewaniu basenu, parametry kolektora mają mniejsze znaczenie. Kolektor z wysokimi stratami w okresie zimowym, może nie dostarczać żadnej energii, ponieważ jego straty będą tak samo wysokie jak energia którą zyska ze słońca.
Charakterystyka kolektora – sprawność / różnica temperatur
Szkło w kolektorach płaskich, również odgrywa bardzo ważną rolę. Powinno mieć jak największą przepuszczalność promieniowania słonecznego, dobre własności izolacyjne (cała przednia strona absorbera nie jest pokryta izolacją, a wysokie straty konwekcji może ograniczyć tylko mniejsza przewodność cieplna szkła). Zastosowanie podwójnego szkła nie jest właściwe, ponieważ w sposób znaczący obniża jego przepuszczalność promieniowania słonecznego. Szkło powinno być również odporne na stłuczenie (np. gradobicie). Te wszystkie warunki spełnia tzw. szkło solarne, specjalnie produkowane do wykorzystania w kolektorach solarnych. Jeszcze lepszym rozwiązaniem jest szkło solarne pryzmatyczne, które na wewnętrznej stronie posiada małe pryzmaty rozpraszające światło i zwiększające wydajność kolektora, zwłaszcza wtedy gdy promienie słoneczne padają pod kątem.
 
Porównanie kolektorów płaskich i rurowych próżniowych
Wybór odpowiedniego typu kolektora, jest uzależniony od tego do jakich celów i w jakim okresie będzie on wykorzystywany. Do ogrzewania wody w basenie w sezonie letnim, wystarczą kolektory tańsze o gorszych własnościach. Przy przedłużonym sezonie kąpielowym od wiosny do jesieni, jak również do całorocznego przygotowania wody c.w.u, i dogrzewania c.o, należy wykorzystać kolektor przeznaczony do użytku całorocznego (powierzchnia czarny chrom lub Sunselect). W celu uzyskania lepszych korzyści energetycznych, lub przy eksploatacji w skrajnych temperaturach, najwłaściwsze jest zastosowanie kolektorów próżniowych. Ich duża liczba pozwala na uzyskanie dużych korzyści energetycznych, również przy promieniowaniu rozproszonym (słońce za chmurami).
2) Dobór wielkości powierzchni kolektorów oraz ich ukierunkowanie
Wielkość powierzchni kolektorów, wynika z zapotrzebowania ciepła i okresu w jakim ma być ono pokryte. To zapotrzebowanie ciepła, porównujemy z ilością energii słonecznej która w danym okresie średnio pada na 1 m2 pwierzchni ziemi, pomniejszoną o sprawność systemu solarnego. Z tych obliczeń otrzymujemy wielkość powierzchni kolektorów, którą ewentualnie można zwiększyć za pomocą odpowiedniego współczynnika przy niekorzystnym ukierunkowaniu kolektorów.
Przykład doboru powierzchni kolektorów do ogrzewania ciepłej wody użytkowej:
- ustalenie zapotrzebowania ciepła:
jeżeli znane jest dzienne zapotrzebowanie na ilość ciepłej wody, wtedy niezbędną ilość ciepła do jej ogrzania oblicza się ze wzoru Q=mc(T2-T1). Zazwyczaj przyjmuje się, że dzienne zapotrzebowanie na ciepłą wodę wynosi 50l na osobę, co przy założonej temperaturze wody zimnej wynoszącej 10°C i ogrzanej 45°C daje wynik 2 kWh/osobę.
- ustalenie wielkości kolektora:
zazwyczaj przy całorocznym ogrzewaniu c.w.u kolektorami słonecznymi, w okresie od kwietnia do sierpnia zapotrzebowanie na ciepło zostaje pokryte w 100%. Zgodnie z poniższym wykresem przedstawiającym średnie wartości energii słonecznej w poszczególnych miesiącach wynika, że najmniej ciepła w tym okresie przypada na kwiecień – 4 kWh/m2 w ciągu dnia. Przy średnej sprawności całego systemu solarnego wynoszącej 50% w tym okresie, można wyliczyć że energia jaką dysponujemy na ogrzanie c.w.u wyniesie 2 kWh/m2. To jest dokładnie tyle, ile wynosi średnie dzienne zapotrzebowanie energii na przygotowanie ciepłej wody dla jednej osoby. Wielkość powierzchni kolektora, wynosi wtedy 1m2 powierzchni czynnej kolektora na jedną osobę. Jeżeli przeprowadzony zostanie całoroczny bilans energii potrzebnej do ogrzewania c.w.u, wówczas przekonamy się że przy tych założeniach system solarny pokrywa około 60% rocznego zapotrzebowania na ciepło.
Jeżeli będziemy chcieli to pokrycie zapotrzebowania zwiększyć, poprzez podwojenie powierzchni kolektorów (z powierzchni 1 m2 będziemy wykorzystywać tylko 2 kWh padającej energii), to system solarny będzie pokrywać 75% rocznego zapotrzebowania na ciepło.
W odwrotnej sytuacji, jeżeli kolektor zostanie dobrany o powierzchnia mniejszej o 30% niż obliczona, pokrycie rocznego zapotrzebowania na ciepło spadnie do 50%. Z powyższego wynika, że pomimo zwiększenia lub zmniejszenia powierzchni kolektorów względem wyliczonej wartości, bilans energetyczny systemu solarnego zmieni się w sposób nieznaczny. Wynika to głównie z tego, że latem gdy jest najwięcej promieniowania słonecznego, zwiększenie powierzchni kolektorów nie zwiększy już wartości pozyskanego ciapła, dlatego że nie będziemy w stanie go wykorzystać.
Korekta powierzchni kolektora:
- według ilości energii słonecznej dostarczanej na powierzchnię ziemi w
różnych regionach Polski:
Przytoczone obliczenia, były przeprowadzone dla ilości energii wynoszącej 1000 kWh/m2. Wartość ta, może się w niektórych regionach Polski różnić o około +-10%, co można, uwzględnić przy pomocy współczynnika korekcji.
- według ukierunkowania (azymutu) kolektora względem południa oraz jego kąta nachylenia
Kolejnym współczynnikem mającym wpływ na całkowity bilans energetyczny jest ukierunkowanie kolektora względem południa oraz jego nachylenie (kąt od płaszczyzny poziomej).
Napromieniowanie roczne w zależności od ukierunkowania (oś pozioma) i nachylenia (oś pionowa) powierzchni kolektora [kWh/m2]
3) Dobór wielkości zasobnika ciepła
Zasobniki ciepła, dzieli się według sposobu akumulacji energii na dwa podstawowe rodzaje: zasobniki c.w.u, oraz zbiorniki akumulacyjne wody grzewczej.
Wielkość zasobnika c.w.u, lub zbiornika akumulacyjnego zazwyczaj dobieramy dla 1 - 1,5 dziennego zapotrzebowania na ciepło. Wielkość zasobnika c.w.u, dobiera się w zależności od ilości osób. Dobowe zapotrzebowanie na wodę wynosi zazwyczaj 50 litrów na osobę. Ze względu na nierównomierność dostawy energii słonecznej, dobrze jest wielkość zasobnika trochę przewymiarowć.
4) Wybór regulacji systemu solarnego
Regulacja ma istotny wpływ na prawidłowe działanie systemu solarnego. Ma ona przede wszystkim zapewnić bezbieczną i bezobsługową pracę systemu. Do regulacji prostych systemów solarnych np. do podgrzewania c.w.u, lub ogrzewania basenu służą proste regulatory, które załączają pompę obiegową na podstawie różnicy temperatur w kolektorze oraz zasobniku c.w.u (ewentualnie basenowym wymienniku). Przykładem takiego regulatora jest SR 1.1 – analogowy regulator z możliwością ustawienia różnicy temperatur załączenia, oraz funkcją nocnego wychładzania. Kolejnym regulatorem przeznaczonym do prostych układów jest DeltaSol BS/3 – cyfrowy regulator z nastawą różnicy temperatur załączenia i wyłączenia oraz funkcjami zabezpieczającymi.
Do regulacji złożonych systemów solarnych przeznaczone są regulatory DeltaSol BS Pro i DeltaSol ES. Regulatory te, mogą sterować skomplikowane układy (np. podłączenie typu wschód-zachód z dwoma połaciami kolektorów), lub systemy z wieloma urządzeniami (np.kombinacja podgrzewania c.w.u i basenu).
Do systemów solarnych z dogrzewaniem c.o, należy uzyć „inteligentnych“ regulatorów do sterowania obiegów grzewczych np. regulatora IR09. Jest to regulator, który steruje obiegiem pierwotnym systemu solarnego, a następnie na podstawie programu czasowgo reguluje ogrzewaniem według zadanych temperatur i krzywych grzania, oraz steruje załączaniem innych źródeł ciepła (kotła gazowego, kotła elektrycznego) w dniach z niedostateczną ilością promieniowania słonecznego.
5) Dobór pompy obiegowe.
Pompa obiegowa, zapewnia przepływ czynnika grzewczego między kolektorem a wymiennikiem (zasobnikiem ciepła). Sposób doboru pompy nie różni się niczym, od typowego doboru pompy obiegowej dla zamkniętego układu grzewczego z wymuszonym obiegiem. Dla mniejszych układów, z reguły wystarczy użyć pompy zintegrowanej w tzw. zespołe pompwym, który zawiera również elementy zabezpieczające (zawór bezpieczeństwa), oraz elementy zapewniające prawidłowe działanie systemu solarnego (zawór zwrotny, regulator przepływu itp.). W zespołach tych, zastosowane są w większości pompy przeznaczone do systemów solarnych pod kątem pracy z płynem grzewczym na bazie propylen-glikolu. Takie pompy (np. Wilo ST20/6 w zespole pompowym FlowCon S) wytwarzają wystarczający przepływ i ciśnienie dla większości systemów solarnych stosowanych w domach jednorodzinnych. W większych i bardziej złożonych układach solarnych, konieczne jest aby pompa obiegowa zapewniała odpowiedni przepływ płynu grzewczego przez kolektor. Dla kolektora KPC, KTU i ETC zaleca się przepływ 1-2 l/min, przy czym dla większej ilości kolektorów przepływy w poszczególnych kolektorach się sumują. Na przykład dla zestawu 3 kolekorów przepływ wyniesie 3 x 2 l/min = 6 l/min. Dla kolektora KPS zaleca się przepływ w zakresie 1,5-1,8 l/min. Dla mniejszych zestawów (do 5 kolektorów), można kolektory połączyć szeregowo, a przepływ nie jest sumowany.
6) Ciśnienie w systemach solarnych, dobór zaworu bezpieczeństwa i naczynia ekspansyjnego
Zawory bezpieczeństwa są częścią wyposażenia zespołów pompowych. Jeżeli nie będzie zastosowany zespół pompowy, wówczas system solarny musi być zaopatrzony w zawór bezpieczeństwa z ciśnieniem otwarcia 600 kPa (6 bar), odporny na działanie wysokich temperatur (dochodzących do 160°C).
Ciśnienie w zestawie solarnym oblicza się według wzoru p = 1,3 + (0,1 x h), gdzie p jest to ciśnienie w zestawie solarnym w barach, a h to wysokość (pionowa odległość) od manometru do najwyższego punktu instalacji w metrach. Wyliczoną wartość ciśnienia, ustawia się na manometrze zespołu pompowego. Naczynie ekspansyjne, służy do wyrównania zmian rozszerzalności cieplnej płynu grzewczego w układzie solarnym, bez jej niepotrzebnej utraty i utrzymania ciśnienia w systemie w zalecanym zakresie. Naczynie ekspansyjne w zestawach solarnych, musi być dobierane z uwzględnieniem różnic temperatur występujących w okresie zimowym (do -20°C) oraz maksymalnych temperatur występujących w okresie letnim. Naczynie musi być również tak dobrane, aby było zdolne przejąć całą objętość płynu grzewczego w przypadku jego odparowania z kolektora. W zestawach solarnych z wymuszonym obiegiem, zaleca się używanie ciśnieniowych naczyń eksapnsyjnych z mebramą wykonaną z materiału odpornego na propylen-glikol. Ciśnienie w naczyniu ekspansyjnym, należy obliczyć według wzoru pexp = p - 0,5 (bar), gdzie p jest ciśnieniem w zestawie solarnym.
7) Odpowietrzanie
Miejsce odpowietrzenia należy wybrać w najwyższym punkcie układu. Miejsce to dobrze jest wyposażyć w lokalne rozszerzenie rury, dla wyrównania przepływu oraz dobrej separacji pęcherzyków powietrza z płynu grzewczego. Dla jeszcze lepszego odprowadzenia pęcherzyków powietrza z układu, zaleca się wyposażyć zespół pompowy w tzw. separator powietrza. Wyjątek od stosowania zaworu odpowietrzającego, mogą stanowić mniejsze zestawy solarne z szeregowym połączeniem kolektorów typu KPS i ETC, oraz przepływem w instalacji i kolektorze większym niż 0,4 m/s. W takim przypadku, nie musí być instalowany w najwyższym punkcie układu zawór odpowietrzający, lecz wystarczy wyposażyć zespół pompowy w tzw. separator powietrza, który umożliwia wydzielenie rozpuszczonych gazów z płynu grzewczego. W przypadku użycia automatycznego zaworu odpowietrzajacego, nalezy zawór ten po odpowietrzeniu całego systemu zamknąć. Podczas pracy systemu bez odbioru ciepła, dochodzi do odparowania płynu grzewczego który przy otwartym zaworze odpowietrzającym może wydostać się, a tym samym może dojść do jego niepożądanej utraty.
8) Instalacja, rury i izolacja
Na rury systemu solarnego, należy założyć izolację cieplną (np. AEROFLEX), aby straty cieplne do otoczenia w sposób znaczący nie obniżały całkowitej sprawności systemu solarnego. Izolacja cieplna musi być odporna na temperaturę dochodzącą do 160 °C, a dla instalacji zewnętrznej odporna na promieniowanie UV oraz wilgotność. Grubość izoalacji cieplnej powinna odpowiadać średnicy użytych rur. Rury systemu solarnego muszą być zaprojektowane na temperaturę około 160 °C i ciśnienie 6 bar. W żadnym przypadku, nie można stosować rur wykonanych z tworzyw sztucznych, które nie spełniają warunków roboczych systemu solarnego (naprężeń cieplnych i mechanicznych). Zaleca się zatem wykonanie całej instalacji z rur miedzianych, łączonych twardym lutem. Instalację przyłączeniową od kolektora, należy prowadzić jak najkrótszą drogą. Pętlę Tichelmanna stosuje się dla równomiernego rozprowadzenia płynu grzewczego do wszystkich kolektotorów. Instalację systemu, można prowadzić wolnymi przewodami kominowymi, wentylacyjnymi lub wykutymi w ścianie rowkami (bruzdami), prowadzonymi najlepiej wewnątrz budynku. Otwarte szyby kominowe trzeba uszczelnić, aby nie dochodziło do zwiększenia strat cieplnych na skutek konwekcji. Przy projektowaniu, należy pamietać o rozszerzalności termicznej przewodów i zabezpieczyć rury kompensatorami, aby zapobiec ewntualnym szkodom i nieszczelnościom. Koniecznie należy dokonać uziemienia instalacji.
Średnicę rur doprowadzajacych i odprowadzających z kolektora można wyliczyć ze wzoru empirycznego:
d…średnica rur [mm]
V …objętościowy przepływ przez kolektor [l / h]
Równanie wynika z założenia, że prędkość przepływu w kolektorze zbiorczym nieprzekracza 1 m/s. Na podstawie wyliczonej wartości minimalnej średnicy rur, należy dobrać najbliższą wyższą nominalną wartość średnicy.
9) Przykłady podłączenia
Ogrzewanie c.w.u
Przedgrzew c.w.u
Ogrzewanie c.w.u – system Wschód-Zachód
Ogrzewanie c.w.u w zasobniku z dwoma wężownicami grzewczymi
Ogrzewanie c.w.u i basenu
Systemy z dogrzewaniem c.o.
|
|
|
|
|
|
|
