Kolektory słoneczne i słoneczne systemy grzewcze – wymagania i certyfikaty

Poniedziałek, 12 Lipiec 2010

Każde urządzenie wprowadzane do obrotu handlowego musi posiadać stosowne dopuszczenia i spełniać określone normami wymagania. Dotyczy to również kolektorów słonecznych oraz kompletnych słonecznych systemów grzewczych. Producenci kolektorów słonecznych oraz poszczególnych komponentów systemu, jak również firmy handlujące zlecają uprawnionym instytucjom certyfikującym wykonanie badań zgodnych z obowiązującymi normami.

Fot: Thermosolar

Badania te mogą być wykonywane jako kompletne, kończące się przyznaniem znaku jakości Solar Keymark dla kolektora słonecznego lub całego zestawu solarnego, albo wykonuje się jedynie określone badania jak certyfikat uzysku solarnego, który w wielu krajach europejskich jest podstawą przyznania dofinansowania do instalacji solarnej. Podstawowe, związane z tymi wymaganiami normy to:
1. PN-EN 12975-1:2004 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy. Kolektory słoneczne. Część 1: Wymagania ogólne
2. PN-EN 12975-2:2006: Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy. Kolektory słoneczne. Część 2: Metody badań
3. PN-EN 12976-1 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Urządzenia wykonywane fabrycznie. Część 1: Wymagania ogólne
4. PN-EN 12976-2 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy – Urządzenia wykonywane fabrycznie. Część 2: Metody badań
5. ENV 12977. Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy: część 1 – wymagania ogólne część 2 – metody badań część 3 – badanie wydajności zasobników ciepłej wody użytkowej

Solar Keymark

Solar Keymark wprowadzony został z myślą o wyróżnieniu producentów kolektorów słonecznych oraz systemów solarnych, którzy w swojej działalności kierują się zgodnością z obowiązującymi w tym zakresie europejskimi normami. Z rozpowszechnianej przez Europejskie Stowarzyszenie Przemysłu Kolektorów Słonecznych (www.estif.org) ulotki wynika, że podstawą programu certyfikacyjnego jest kontrola produktów na bazie zgodności z obowiązującymi normami europejskimi oraz kontrola jakości wg ISO 9000. Czytamy dalej, że Solar Keymark ma wspierać klientów przy wyborze kolektorów słonecznych oraz zestawów solarnych spełniających wymagania stosownych norm europejskich. Instytucją, która zajmuje się przyznawaniem tego oznaczenia jest między innymi spółka DIN CERTCO sp. z o.o. z Berlina, która uznana została za neutralną, niezależną i kompetentną instytucję certyfikującą. Solar Keymark uzyskać można również w innych instytucjach wyznaczonych przez wyżej wymienione stowarzyszenie ESTIF: CERTIF (Portugalia), ICIM (Włochy), ELOT (Grecja), KIWA (Holandia) oraz SP (Szwecja).
Aby uzyskać Solar Keymark niezbędne jest wykonanie pełnego zestawu badań według wyżej wymienionej norm przez akredytowaną w DIN CERTCO instytucję badawczą (lista tych instytucji wymieniona jest na stronie internetowej www.dincertco.de). Po pozytywnym przejściu badań DIN CERTCO dokonuje wizytacji zakładu produkcyjnego oraz badanie typu kolektora, wizytacje te odbywają się regularnie. Producent winien posiadać system kontroli jakości produkcji uwzględniający zalecenia normy EN ISO 9001. System taki podlega całorocznemu nadzorowi a w odstępach 2 lat poszerzany jest o kontrolę produktu. Na stronie Europejskiego Instytutu Normalizacji (www.cen.eu) znaleźć można informacje o Keymarku w kontekście zgodności z normami europejskimi. Pod adresem http://www.estif. org/solarkeymark/ znajduje się lista kolektorów słonecznych posiadających Solar Keymark.

Fot: Nibe-Biawar

Kolektory słoneczne jako element systemu grzewczego

Kolektory słoneczne stanowią element składowy zestawu solarnego a więc muszą również spełniać wymagania całego systemu. W związku z powyższym podlegają wymaganiom wyżej wymienionej normy (3).
W normie tej znajdują się wymagania ogólne stawiane instalacjom solarnym: przydatność jako element instalacji wody pitnej (zgodność z normą EN 806-1), zabezpieczenie wody przed skażeniem, odporność na zamarzanie, korozję, zabezpieczenie przed zbyt wysokimi temperaturami, zwłaszcza w kontekście możliwego oparzenia użytkownika, bezpieczeństwo elektryczne oraz ciśnieniowe (konieczność zastosowania armatury zabezpieczającej).
Norma opisuje również wymagania odnośnie elementów składowych zestawu solarnego. Jeśli chodzi o kolektory słoneczne to oczywiście dotyczy to wymagań objętych normą (1). Producenci konstrukcji mocujących kolektory słoneczne winni kierować się zaleceniami normy EN 1993-1- 1 (konstrukcje stalowe) oraz EN 1999-1-1 (konstrukcje wykonane z aluminium). Unia Europejska zaleca stosowanie przy projektowaniu tych konstrukcji tak zwanych Eurokodów dla naporu wiatru i ciężaru śniegu.
W normie ujęte są także wymagania odnośnie przewodów rurowych, wymienników ciepła, regulatorów oraz urządzeń zabezpieczających, jak również opisów (tabliczki znamionowe, plakietki itd.)
Norma precyzuje również jaka dokumentacja winna być dostarczana wraz ze sprzedawanym zestawem solarnym, powinna ona zawierać część przeznaczoną dla instalatora oraz osobną część dla użytkownika instalacji solarnej.
Instalacja solarna może być poddana badaniom wydajności zgodnie z normą (4). Opisuje ona metody badawcze związane z wymaganiami ogólnymi dotyczącymi podzespołów instalacji solarnych.
Norma PN-EN 12976-1 i 2 dotyczy jak wynika z tytułu urządzeń wykonywanych fabrycznie. Są to zwykle gotowe instalacje do użytku domowego do przygotowania ciepłej wody użytkowej. W przypadku, gdy instalacje do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz/lub do wspomagania ogrzewania wykonywane są w oparciu o indywidualną dokumentację projektową z indywidualnymi elementami składowymi (najczęściej dotyczy to dużych instalacji) zastosowanie znajdą również przepisy normy (5).

Wymagania odnośnie trwałości i niezawodności

Kolektory słoneczne muszą być wyprodukowane z odpowiednich materiałów i być wykonane w taki sposób aby posiadały odporność na wszystkie oddziaływania, jakie mogą wystąpić w trakcie ich eksploatacji a jednocześnie winny po wystąpieniu takiego oddziaływania zachować zdolność do działania. W związku z powyższym, zgodnie z (1), zaleca się co następuje:

• obudowa kolektora winna być wodoszczelna aby zapobiegać wnikaniu wody deszczowej. Obudowa winna również być wykonana w taki sposób aby wewnątrz kolektora nie zbierała się skraplająca się woda. Może to bowiem wpływać na funkcjonalność i trwałość urządzenia. Dlatego kolektor powinien posiadać obudowę umożliwiającą przewiew powietrza
• wszystkie elementy kolektora muszą być zaprojektowane i wykonane w taki sposób aby wytrzymały maksymalną temperaturę oraz naprężenia, które mogą wystąpić w trakcie stagnacji oraz szoku termicznego
• zaleca się aby materiały z jakich wykonany jest kolektor były odporne na działanie promieniowania UV, jeśli nie można tego zalecenia spełnić to materiały takie muszą być zabezpieczone przed działaniem promieniowania
• wszelkie przewody znajdujące się wewnątrz kolektora muszą być tak skonstruowane aby nie dochodziło do przecieków na skutek rozszerzalności cieplnej, jednocześnie należy unikać mostków cieplnych między absorberem a obudową
• absorbery kolektorów słonecznych muszą być wykonane z materiałów, które są odporne na czynniki mechaniczne, cieplne oraz chemiczne. Norma zaleca zastosowanie takich procesów produkcyjnych jak cięcie, lutowanie, spawanie itp.
• absorbery winny być zaprojektowane i skonstruowane w taki sposób aby możliwe było odpowietrzenie układu w czasie eksploatacji, winny być odporne na korozję
• absorbery winny być wymiarowane z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa wynoszącego 1,5 wartości dopuszczalnego nadciśnienia roboczego, określonego przez producenta. Oznacza to, że jeśli producent podaje wartość dopuszczalną 20 bar, absorber winien wytrzymać co najmniej 30 bar!
• osłony przezroczyste kolektorów (szyby) winny posiadać odporność na zmieniające się warunki pracy (np. szok termiczny), na promieniowanie UV, zanieczyszczenia powietrza, dużą wilgotność i skropliny oraz nie powinna zmieniać przezroczystości w trakcie użytkowania kolektora
• materiały izolacyjne winny być odporne na miejscowy wzrost temperatury w wyniku stagnacji, zaleca się aby w tej temperaturze nie występowało topnienie, kurczenie się lub odgazowanie izolacji wraz z postępującą kondensacją wewnątrz osłony kolektora.

Fot: Nibe-Biawar

Wymagania odnośnie niezbędnych badań

Kolektory słoneczne powinny być poddane następującym badaniom, objętym normą (2):

• ciśnienia wewnętrznego w absorberze,
• odporności na wysoką temperaturę,
• ekspozycyjności,
• zewnętrznego szoku termicznego,
• wewnętrznego szoku termicznego, (badania zewnętrznego i wewnętrznego szoku termicznego mogą być połączone z badaniami odporności na wysoką temperaturę lub badaniem ekspozycyjności)
• przeciekania spowodowanego deszczem (tylko dla kolektorów z osłonami)
• obciążenia mechanicznego
• odporności na zamarzanie (tylko dla przypadków określonych w normie 12975-2)
• przeglądu końcowego

Na życzenie możliwe jest przeprowadzenie testu odporności na uderzenie. Poza tymi podstawowymi badaniami, które dotyczą odporności, trwałości i wytrzymałości wykonywane są również badania wydajności cieplnej cieczowych kolektorów słonecznych. W trakcie pełnych badań (zleceniodawca ma prawo wybrać zawężony zakres badań) określa się krzywą sprawności kolektora, efektywną pojemność cieplną kolektora, stałą czasową kolektora oraz współczynnik korekcji kąta padania promieni słonecznych. Bada się również krzywą oporów przepływu kolektora słonecznego.
Jedynie kolektor, który pomyślnie przejdzie te wszystkie badania może być uznany za spełniający wymogi. W trakcie wykonywanych badań kolektora słonecznego nie może dojść do przecieków, wełna mineralna nie może odgazowywać w wyniku działania wysokiej temperatury, nie może dochodzić do zaparowania szyby kolektora na powierzchni większej od określonej przepisami, rurki przepływowe nie powinny oddzielić się od arkusza absorbera, rama kolektora powinna być szczelna i uniemożliwić przedostanie się wilgoci do wnętrza kolektora, szyba kolektora musi być odporna na gradobicie a dodatkowo winna spełniać wymóg bezpieczeństwa, co oznacza, że w trakcie pękania powinna rozsypać się na drobne kawałki aby nie stanowić zagrożenia dla otoczenia.
Czytelnicy interesujący się tematem kolektorów słonecznych wiedzą, że instytucje, które przydzielają dofinansowania do kolektorów słonecznych często wprowadzają wymóg aby kolektory słoneczne posiadały określone parametry sprawności (np. współczynnik sprawności przekraczający 80%). Wymaga to przeprowadzenia badań wydajności kolektorów w akredytowanych instytucjach badawczych zgodnie z wyżej wymienioną normą PN-EN 12975-2:2006. W tym miejscu należy zaznaczyć, że instytucje przeprowadzające kompleksowe badania kolektorów słonecznych na każdym wydanym dokumencie poświadczającym pozytywny wynik badań lub uzyskane parametry dodają klauzulę: podane w certyfikacie dane dotyczą jedynie kolektora, który dostarczony został przez zleceniodawcę do badań. Rzeczywiste osiągi kolektora mogą znacznie odbiegać od podanych w certyfikacie.

Wymagania odnośnie identyfikacji kolektora słonecznego

Każdy kolektor słoneczny powinien być oznakowany w sposób widoczny i trwały. Na tabliczce znamionowej kolektora winny się znaleźć następujące dane:

• nazwa producenta
• typ kolektora
• numer seryjny
• rok produkcji
• pole całkowitej powierzchni kolektora
• maksymalne ciśnienie robocze
• temperatura stagnacji przy 1000 W/m² i temperaturze 30°C
• objętość płynu przenoszącego ciepło
• masa kolektora netto (nie napełnionego cieczą) oraz informacja: Wyprodukowany w …

Do kolektora słonecznego można dołączyć dokument w postaci deklaracji zgodności. Jest to stwierdzenie przez producenta lub w imieniu producenta, że wyrób spełnia wymagania normy PN-EN 12975-1

Fot: Nibe-Biawar

Wymagania odnośnie instrukcji dla instalatora

Do kolektorów słonecznych, które sprzedawane są jako samodzielne urządzenia powinna być dołączona instrukcja dla instalatora. Jeżeli kolektory sprzedawane są w zestawie solarnym instrukcja może dotyczyć całej instalacji i wówczas nie jest wymagany oddzielna instrukcja dla kolektora. Informacje niezbędne (wymagane) w każdej instrukcji to:

• wymiary i masa kolektora
• instrukcja transportu i przenoszenia kolektora
• zalecenia odnośnie ochrony odgromowej
• informacje odnośnie sposobu łączenia kolektorów między sobą oraz o sposobie łączenia w pola kolektorów, łącznie z uwzględnieniem wymiarów połączeń rurowych dla podzespołów kolektorów o łącznej powierzchni do 20 m²
• zalecenia odnośnie płynu przenoszącego ciepło (również odnośnie korozji)
• opis środków ostrożności podczas napełniania, eksploatacji oraz obsługi
• maksymalne ciśnienie robocze, krzywa spadku ciśnienia, maksymalny i minimalny kąt nachylenia kolektora
• zalecenia eksploatacyjne.

Jeśli kolektor jest sprzedawany jako część składowa bezpośrednio do odbiorcy, cała dokumentacja dotycząca bezpieczeństwa osób, eksploatacji i obsługi urządzeń powinna być udostępniona klientowi, w języku kraju, w którym kolektor został sprzedany.
A więc nieuzasadnione są żądania polskich firm, zwłaszcza handlowych, które kupując w Polsce kolektory u producentów żądają dokumentów w obcym języku. Zamierzają bowiem sprzedać kolektory za granicą.

Certyfikat uzysku energetycznego kolektora słonecznego

W wielu krajach, które zdecydowały się na wspieranie rozwoju odnawialnych źródeł energii (np. Niemcy, Hiszpania) przyjęto dofinansowanie jedynie takich instalacji, w których zastosowane są kolektory słoneczne posiadające certyfikat uzysku energetycznego. Bywa, że wymóg taki znajduje zastosowanie również w naszym kraju. Producent (lub dystrybutor) kolektora słonecznego wysyła swoje produkty do upoważnionej instytucji badawczej celem uzyskania odpowiedniego dokumentu poświadczającego, że badany kolektor uzyskał w badaniach wymagany poziom uzysku energetycznego. Pod tym pojęciem kryje się cytowana przez producentów i firmy handlowe „magiczna wartość” 525 kWh/m² rok (średnioroczny uzysk energetyczny kolektora słonecznego przekracza wartość 525 kWh z jednego m² powierzchni czynnej kolektora). Należy wszystkim uzmysłowić, że instytucja badawcza nie bada kolektora na przestrzeni całego roku lecz wykonuje symulację całorocznych warunków pracy kolektora na stanowisku badawczym a następnie za pomocą stosownego programu komputerowego określa „osiągi referencyjnej instalacji kolektorów”. Pod pojęciem referencyjna instalacja kolektorów kryją się następujące założenia:

• lokalizacja instalacji: Würzburg (położenie 49°47’18” North, 9°53’21” East)
• pogoda TMY (Typical Meteoroilogical Year) albo ekwiwalentne dane pogodowe
• usytuowanie kolektorów na południe, nachylenie odpowiednie do szerokości geograficznej
• powierzchnia kolektorów jest tak dobrana aby wskaźnik pokrycia solarnego wynosił 40%
• parametry kolektorów przyjmuje się z certyfikatu będącego wynikiem badań przez uprawnioną jednostkę
• przepływ masowy identyczny jak w trakcie badań, zastępczo 50 l/m²h
• medium robocze takie jak w trakcie badań albo mieszanina wody i glikolu polipropylenowego o zawartości 30% glikolu
• sterownik włącza pompę przy zaistnieniu różnicy temperatur w wysokości 2 K pomiędzy temperaturą medium roboczego u wylotu kolektora a temperaturą zasobnika w obszarze wymiennika ciepła
• przewody instalacji: zasilanie i powrót po 7,5 m długości wewnątrz i na zewnątrz budynku na rurze DN16 w izolacji o grubości 25 mm ( = 0,04 W/km); straty ciepła liczone z uwzględnieniem temperatury wewnątrz pomieszczenia oraz temperatury powietrza na zewnątrz budynku
• wymiennik ciepła: zanurzony wymiennik ciepła z gładkimi rurami o znanych parametrach (współczynnik kA wynoszący 400 W/K (+/- 15%) przy temperaturach 42°/40° C na króćcu wlotowym i wewnątrz zasobnika
• zasobnik o pojemności 300 litrów, współczynnik strat ciepła włącznie z kołnierzami zasobnika 2,2 W/K, stosunek wysokości do średnicy 2,5, pojemność dyspozycyjna 135 l przy 47°C
• temperatura zimnej wody 10°C
• temperatura wewnątrz pomieszczeń 15°C
• standardowy pobór ciepłej wody 200 l/d przy 45° C (w przypadku, gdy temperatura przekracza 45° C następuje podmieszanie z zimną wodą do temperatury 45°C, odpowiada to energii 2950 kWh/a, przyjęto jednostkowy pobór 10 l/min
• profil poboru: o godz. 7 i 19 po 40% I 20 % o godz. 12

Instytucje badające kolektory słoneczne posiadają wewnętrzne i zewnętrzne laboratoria, co oznacza, że kolektory mogą być badane na stanowiskach bezpośrednio wystawionych na działanie promieni słonecznych lub też bada się kolektory w budynkach naświetlając kolektory strumieniem światła symulującym promieniowanie słoneczne. Niektóre instytuty posiadają stanowiska wewnętrzne i zewnętrzne co pozwala im na uniezależnienie się od warunków pogodowych.
W przypadku tych instytucji (np. Instytut niemiecki ISFH w Hameln) możliwe jest po wykonaniu testów wewnętrznych uzyskanie certyfikatu tymczasowego do czasu wykonania badań zewnętrznych. Certyfikatem tymczasowym posługiwać się można tak jak certyfikatem końcowym w określonym przez instytut terminie. Termin ten jest identyczny z terminem wydania certyfikatu ostatecznego. Z doświadczenia wiem, że parametry podane w certyfikacie tymczasowym nie odbiegają znacząco (standardowe odchylenie wyników badań) od parametrów podanych w certyfikacie końcowym. Wynika to z faktu, że instytucja ta badając kolektory od wielu lat ustaliła korelację pomiędzy wynikami badań na obu stanowiskach i może sobie pozwolić na wydanie w pełni rzetelnego certyfikatu tymczasowego.
Renomowani producenci kolektorów słonecznych budują własne stanowiska badawcze, zgodne z wymogami norm, co pozwala im na wstępne określenie parametrów ich kolektora słonecznego przed poniesieniem dużych kosztów na przeprowadzenie badań w instytucjach certyfikujących. Przykład takiego stanowiska pokazano poniżej.

Podsumowanie

W artykule zestawiono wymagania jakie w myśl obowiązujących przepisów stawiane są słonecznym systemom grzewczym, ze szczególnym uwzględnieniem kolektorów słonecznych. Informacje przeznaczone są dla użytkowników instalacji solarnych oraz instalatorów. Ustawodawcy uznają, że jedynie zestawy solarne spełniające wszystkie wymagania norm branżowych stanowią gwarancję jakości i bezawaryjnej pracy kolektorów słonecznych. A jak to wygląda w praktyce? Nawet najlepsze unormowania i przepisy prawa nie ustrzegą przed awariami i usterkami instalacji solarnych. Zawsze w tle pojawia się czynnik ludzki (instalator, użytkownik itd..)

Jerzy Chodura