Błędy popełniane na etapie projektowania oraz wykonawstwa instalacji solarnych

Błędy popełniane przez projektantów oraz instalatorów mogą się w krótkim okresie czasu objawić w postaci obniżonej wydajności instalacji solarnej, zbędnego postoju lub nawet prowadzić do uszkodzeń podzespołów. Błędy te wynikają z szeregu przyczyn, które zostaną pokrótce przedstawione.

Fot. 1. Zacienienie pól kolektorów

Niedostateczne rozpoznanie obiektu

Do najczęściej popełnianych błędów należą:
– zaniedbanie zjawiska zacienienia instalacji (istniejącego i potencjalnego),
– brak analizy wpływu usytuowania kolektorów oraz zasobników.

Za mało uwagi poświęca się problemowi zacienienia, które może odgrywać znaczącą rolę w obniżeniu wydajności instalacji solarnej lub nawet w przypadkach ekstremalnych do uszkodzeń. Następować to może po pierwsze w tych przypadkach, gdy instalator nie prowadzi właściwego rozpoznania sytuacji u klienta. Trzeba pamiętać, że instalacja solarna ma długą żywotność, często przekraczającą 20 lat, okres zwrotu nakładów inwestycyjnych jest długi, a co za tym idzie należy zapewnić, aby instalacja w całym tym okresie czasu pracowała efektywnie. Tymczasem kolektory słoneczne zostają z upływem czasu zasłonięte przez wysokie drzewa lub budynki w sąsiedztwie. Krótka rozmowa z klientem i pytanie o możliwą wysoką zabudowę w planach zagospodarowania może sytuację rozjaśnić. Problem drzew jest możliwy do rozpoznania na miejscu. Po drugie – podstawowym błędem popełnianym przez projektantów lub instalatorów jest niewłaściwe usytuowanie szeregów kolektorów słonecznych, które w efekcie prowadzi do zacienienia (fot. 1).

REKLAMA

Zwykle błąd ten jest popełniany w sytuacji, gdy projektant wyliczy wymaganą powierzchnię kolektorów słonecznych, która pozwoli na zaspokojenie potrzeb energetycznych obiektu, a powierzchnia dachu, na którym kolektory mają być usytuowane, jest zbyt mała. Projektuje więc odległość pól kolektorów tak, aby wszystkie się tam zmieściły. Występuje zacienienie. Poza obniżeniem wydajności instalacji solarnej występuje w tym przypadku szereg zjawisk ubocznych, na które w ogóle nie zwraca się uwagi. Warto im się przyjrzeć poniżej.

Fot. 2. Nierównomierne odszranianie w wyniku zacienienia

Pola kolektorów słonecznych poddane są działaniu różnych wartości promieniowania słonecznego w identycznym czasie. W polach kolektorów słonecznych występują więc różne temperatury medium roboczego, niekiedy różnice temperatur są ekstremalne. W efekcie gorące medium poruszające się z określoną prędkością trafiać może na medium zimne i praktycznie zatrzymać się, efektem jest występowanie uderzeń hydraulicznych. W konsekwencji dochodzić może nawet do przecieków absorbera kolektorów słonecznych w wyniku ekstremalnego wzrostu ciśnienia. Skutkiem ubocznym uderzeń są efekty dźwiękowe.

Kolektor słoneczny pracujący w warunkach zacienienia narażony jest na szybsze zaparowanie, zwłaszcza gdy nie jest właściwie wentylowany.

Fot. 3. Śnieg zsuwający się po kolektorach

Część pól kolektorów słonecznych może ulegać zapowietrzeniu, gdy powstaną w nich nadmierne temperatury. W obszarze zacienienia ciecz posiada niższą temperaturę roboczą a więc większą gęstość. Występują więc zwiększone opory przepływu. Poza niepotrzebnym wzrostem poboru mocy pompy występuje niebezpieczeństwo wycierania się rur, a co za tym idzie – przedostawania się cząsteczek metalu do cieczy roboczej i jej przyspieszonego starzenia się.

Zacienienie kolektorów powoduje, że w okresie zimy powierzchnie kolektorów słonecznych w różnym tempie ulegają odtajaniu (fot. 2). Dolna część zacienionego kolektora słonecznego  może być przykryta warstwą śniegu. Zmieniające się warunki atmosferyczne (np. na przemian ciepłe dni i zimne noce) powodują powstanie pod takim kolektorem swoistej „rynny” wypełnionej wodą. Woda ta przedostawać się może do wnętrza płaskiego kolektora słonecznego i prowadzić do nasiąknięcia izolacji cieplnej. Izolacja taka pod wpływem ciężaru części nasiąkniętej wodą przemieszcza się w dół kolektora. Efektem jest wypychanie ściany tylnej lub absorbera kolektora oraz zmniejszenie efektywności izolacji cieplnej. W przypadku kolektorów próżniowych zachodzi niebezpieczeństwo uszkodzenia rur w wyniku ich zaciśnięcia lub wypchnięcia, jeżeli zamarznie woda znajdująca się w wyżej opisanej „rynnie”.

Fot. 4. Błędy wykonawcze mogące skutkować uszkodzeniami

Usytuowanie kolektorów na połaci dachowej

Osobnym zagadnieniem jest sposób usytuowania/umieszczenia kolektorów słonecznych w/na połaci dachowej.
Kiedy do dyspozycji instalatora znajduje się praktycznie cała połać dachu, może on swobodnie wybrać ostateczne miejsce instalacji kolektorów. W przypadku, gdy połać dachu jest odpowiednio nachylona kolektory można posadowić bezpośrednio na połaci lub wpuścić w połać. W każdym z tych przypadków popełnić można szereg błędów, które mogą skutkować obniżeniem wydajności lub niebezpieczeństwami. Na fot. 2 widać, że instalator posadowił kolektory przy samej kalenicy, przewody poprowadził przez kalenicę na drugą stronę dachu. Decydując się świadomie na takie rozwiązanie (w najwyższym punkcie instalacji umieścił odpowietrznik), zamiast poprowadzenia przewodów bezpośrednio pod dach, powiększył niepotrzebnie straty ciepła w instalacji. W takim przypadku występuje również prawdopodobieństwo zebrania się powietrza przy kalenicy i konieczność wchodzenia na dach w celu odpowietrzenia instalacji. Zapowietrzenie instalacji prowadzi do zatrzymania przepływu i postoju. Z kolei kolektory wpuszczane w połać dachu, które już z tytułu swojej konstrukcji zapewniają umieszczenie przewodów pod dachem, a co za tym idzie mniejsze straty ciepła niż w przypadku, gdy znajdują się one na połaci dachu, muszą posiadać szczelną wannę oddzielającą od wnętrza budynku. Ewentualne przecieki gorącego medium pod dach to bezpośrednie zagrożenie dla życia mieszkańców.

W przypadku niewłaściwego montażu kolektorów, na przykład zbyt blisko śniegołazów lub płotków przeciwśniegowych istnieje niebezpieczeństwo, że śnieg zsuwający się z kolektorów (fot. 3) zatrzyma się na nich w dolnej części. Spowoduje to problemy jak wyżej opisane.

Rys. 1. Nasłonecznienie oraz uzysk cieplny 1 – 4 kolektorów

Nieprawidłowe rozpoznanie rodzaju pokrycia połaci dachowej lub niewłaściwy montaż haków mocujących kończy się sytuacjami pokazanymi na kolejnych zdjęciach (fot. 4). Naprawa dachówek wiąże się często z koniecznością demontażu kolektorów, a więc postoju instalacji.

Nieprawidłowe określenie potrzeb energetycznych

Do najpoważniejszych błędów należą:
– brak właściwej konsultacji oraz ustaleń z klientem,
– przyjęcie średnich wartości zużycia energii.

Właściwe określenie potrzeb energetycznych związanych z określeniem prawidłowej ilości zastosowanych kolektorów słonecznych jest podstawowym zadaniem przy projektowaniu instalacji słonecznej. Przy określaniu tych potrzeb należy pozyskać maksymalną ilość informacji od klienta, a następnie je zweryfikować. Nie można bezwiednie polegać na informacjach klienta. Prowadząc rozmowy z klientem należy go poinformować, jaki będzie przewidywany uzysk roczny oraz wskaźnik pokrycia solarnego zastosowanej instalacji solarnej oraz jakie można przedsięwziąć zabiegi oszczędnościowe, np. poprzez zastosowanie armatury wodooszczędnej. Mniejsze zużycie ciepłej wody użytkowej oznacza bowiem zastosowanie mniejszej instalacji solarnej, a w efekcie mniejsze koszty. Użytkownik uprzedzony o zakupie instalacji solarnej o zmniejszonej wartości wskaźnika pokrycia solarnego i świadomie dokonujący jej zakupu nie będzie nękał instalatora niepotrzebnymi telefonami. Podobnie użytkownik, który decyduje się na zakup instalacji przewymiarowanej musi zastosować się do wskazówek odnośnie sposobu zabezpieczenia instalacji przed skutkami przegrzewu.

Rys. 2. Uzysk cieplny oraz dodatkowa energia grzewcza dla zestawu 1-4 kolektorów

Prześledźmy to zagadnienie na przykładzie wybranej instalacji. Przyjęto, że wartość rocznego nasłonecznienia w wybranej lokalizacji wynosi 1300 kWh/(m2·rok), zapotrzebowanie c.w.u. wynosi 200 l/d, temperatura zimnej wody 12°C, temperatura ciepłej wody 45°C, zasobnik posiada pojemność 300 l, straty ciepła w systemie (zasobnik i cyrkulacja) wynoszą 20%. Do obliczeń przyjęto płaski kolektor słoneczny o powierzchni 2,45 m2, sprawności optycznej h0 = 0,76, współczynnikach strat ciepła k1 = 3,32 W/(m2·K), k2 = 0,0165 W/(m2·K2).

Rys. 3. Sprawność systemu oraz wskaźnik pokrycia w funkcji wielkości instalacji

Na kolejnej ilustracji (rys. 1) przedstawiono wielkości miesięcznego nasłonecznienia oraz uzysku cieplnego kolektorów o wybranych wielkościach powierzchni, pokazano wyniki obliczeń dla różnej ilości zastosowanych kolektorów słonecznych.

Kolejne wykresy (rys. 2) pokazują jak kształtuje się rozkład uzysku solarnego oraz niezbędnej energii dodatkowej w analizowanym przypadku. Widać znaczny przyrost udziału uzysku solarnego przy zwiększeniu ilości kolektorów z jednego do dwóch.

Rys. 4. Zestawienie wartości wskaźnika pokrycia solarnego w funkcji ilości kolektorów

Dla wyjaśnienia zależności wynikających z wyżej przedstawionych diagramów sporządzono wykres (rys. 3) obrazujący jak kształtuje się wartość wskaźnika pokrycia solarnego w funkcji powierzchni kolektorów słonecznych. Widać wyraźny przyrost wartości wskaźnika pokrycia solarnego w przypadku wzrostu ilości kolektorów z jednego do dwóch (40% do 60%) oraz ograniczony przyrost wartości tego wskaźnika przy dalszym wzroście 68% przy 3 kolektorach oraz 72% przy 4 kolektorach.

Na wykresie tym pokazano również jak kształtuje się sprawność analizowanego systemu solarnego. Jak widać spada ona ze wzrostem wartości wskaźnika pokrycia solarnego.

Rys. 5. Obraz przewymiarowania instalacji solarnej

Na wykresie tym nie widać jednak zależności zmian wskaźnika pokrycia solarnego od pory roku. Można to zobaczyć w przypadku pokazania przebiegu miesięcznego tego wskaźnika dla poszczególnej ilości kolektorów słonecznych (rys. 4).

Jak widać znaczny wzrost wartości wskaźnika pokrycia solarnego przy zwiększeniu ilości kolektorów słonecznych z jednego do dwóch jest wynikiem znacznego przyrostu ich wykorzystania w okresie letnim. Widać również, że dalsze zwiększanie ilości kolektorów do 3 sztuk prowadzi co prawda do dalszego zwiększenia wartości wskaźnika pokrycia solarnego, ale nie uzyskuje się znaczącego zwiększenia wartości wskaźnika podczas lata, a jedynie nieco większe wartości w okresie przejściowym. Natomiast zastosowanie 4 kolektorów słonecznych nie powoduje żadnego dalszego zwiększenia wartości wskaźnika w okresie letnim, a jedynie w okresach małego nasłonecznienia.

Fot. 5. Stelaże podnoszące

Podsumowując – optymalna ilość kolektorów w analizowanym obiekcie to 2 lub 3 sztuki. W naszym przypadku wybieramy korzystniejszy ekonomicznie wariant z dwoma kolektorami słonecznymi. Zestaw taki zapewni co prawda nieco mniejszą wartość pokrycia solarnego, ale pracować będzie z lepszą sprawnością.

Fot. 6. Kolektory słoneczne nad kalenicą

Decyzja o zastosowaniu 4 kolektorów słonecznych wiąże się z kolei z problemem nadmiaru energii w okresie lata (rys. 5). W takim przypadku mówimy o przewymiarowaniu instalacji solarnej. Jak widać ilość bezproduktywnej energii w lipcu równa się praktycznie ilości energii użytecznej.

Efektem przewymiarowania jest szybsze zużycie (spadek wydajności) a w ekstremalnym przypadku uszkodzenie elementów instalacji solarnej.

Nieuwzględnienie obowiązujących norm oraz standardów technicznych

Błędy popełniane są w wyniku:
– planowania parametrów instalacji w oparciu jedynie o doświadczenia osobiste,
– nieznajomości przepisów budowlanych oraz higienicznych.

Wiele czynności dokonywanych jest przez projektantów i instalatorów w sposób rutynowy, wynikający z przeniesienia wiedzy z techniki grzewczej na instalacje solarne. Tymczasem na przykład umieszczenie kolektorów słonecznych na połaci dachowej wymaga zapoznania się z obowiązującymi przepisami budowlanymi. Przydatna jest rozszerzona wiedza z zakresu wytrzymałości materiałów. Bardzo ważnym zagadnieniem jest również aspekt zastosowania instalacji odgromowej i problem zabezpieczenia instalacji przed bakteriami legionelli. Niedostateczne doświadczenie w tym zakresie powoduje, że projektant zapomina o uwzględnieniu strefy opadów śniegu i związanych z nimi dodatkowych obciążeń. Podobnie ma się sprawa zwiększonych obciążeń w strefach mocnych wiatrów. Niejednokrotnie wymaga to zastosowania konstrukcji podnoszących, aby kolektory słoneczne nie „tonęły w śniegu” tak jak to opisano wyżej (fot. 5)

Fot. 7. Konsekwencje naruszenia konstrukcji mocującej

Jeżeli ktoś decyduje się na ekstremalne usytuowanie kolektorów słonecznych musi pamiętać o dodatkowym wzmocnieniu konstrukcji. Pokazane na fot. 6 kolektory utrzymują się na dachu tylko dzięki temu, że zastosowano rurowe kolektory próżniowe bez lustra, które nie powodują dużych naporów.

Wykonywanie samowolnych przeróbek konstrukcji mocujących może się skończyć tragicznie (fot. 7).

Brak instalacji odgromowej skutkuje najczęściej uszkodzeniem regulatora instalacji solarnej, co wiąże się z postojem i zbędnymi kosztami.

W dużych instalacjach niezbędne jest zastosowanie pomp rezerwowych w celu uniknięcia zbędnego postoju instalacji. Obieg antylegionelli jest również niezbędny.

Fot. 8. Wąż giętki stalowy w otulinie

W trakcie montażu instalacji solarnych coraz częściej stosuje się giętkie węże stalowe. Przy okazji stosowania takich węży zdarzyć się może, że zastosowanie przy ich montażu standardów podparcia rur twardych miedzianych przyniesie „przykre niespodzianki” (fot. 8). Przed napełnieniem instalacji podparcie węża wydawać się może odpowiednie, po napełnieniu wąż zaczyna się uginać i powstają miejsca przegięcia, mogące stanowić punkty tworzenia się poduszek powietrznych. Efektem jest ustanie przepływu i niepotrzebny postój instalacji. Jeżeli jeszcze dodatkowo okaże się, że miejsce utworzenia się poduszki jest przykryte (pod ociepleniem dachu) sytuacja może się pogorszyć (utrudniony dostęp).

Niewłaściwe parametry komponentów instalacji

Najczęstsze błędy to:
– nieprawidłowy dobór pompy, przewodów oraz naczyń wzbiorczych,
– niewłaściwe izolacje cieplne.

Wymagania stawiane instalacjom solarnym jako sprzyjającym ochronie środowiska są bardziej rygorystyczne niż w przypadku szeregu innych instalacji. Jednym z wymogów jest zastosowanie pompy o odpowiednich parametrach. Nie wolno pod żadnym pozorem stosować pompy przewymiarowanej, pobierającej nadmierną ilość energii. Pompa ta musi być oczywiście pompą solarną.

Fot. 9. Zasobnik solarny dużych rozmiarów

Właściwe zwymiarowanie średnic przewodów instalacji oraz pojemności solarnych naczyń wzbiorczych jest również warunkiem prawidłowego funkcjonowania instalacji, także w przypadku wystąpienia stagnacji.

Bardzo ważnym zagadnieniem w instalacjach pozyskujących energię cieplną jest zadbanie o prawidłową izolację cieplną. Nie można dopuszczać do sytuacji, w której energia cieplna pozyskana określonym, można powiedzieć bez popełnienia błędu, dużym kosztem, była tracona bezpowrotnie w wyniku zastosowania niewłaściwej izolacji cieplnej. A warto się zastanowić dlaczego w pokazanym poniżej przykładzie zastosowano jeden duży zasobnik zamiast stosowania szeregu małych (miejsca jest aż zanadto) (fot. 9). Wynika to oczywiście ze znacznie mniejszych strat ciepła. Podobnie niezrozumiałe jest zastosowanie niewłaściwych izolacji cieplnych rurociągów. Chodzi tu zarówno o ich średnice jak i właściwości. Stosowanie małych średnic prowadzi do znacznego wzrostu strat ciepła. Przykładowo strata ciepła na 1 mb rury o średnicy 22 mm i grubości izolacji 20 mm wynosi około 3 kWh/miesiąc, przy długości rurociągu rzędu 30 m (zasilanie + powrót) wynosi 90 kWh. Wielu instalatorów stosuje znacznie mniejsze grubości decydując się na jeszcze większe straty. Gdy dodatkowo zastosuje się izolację cieplną nieprzystosowaną do instalacji solarnych straty mogą być jeszcze większe (fot. 10).

Fot. 10. Uszkodzenia izolacji cieplnej

Podsumowanie

W artykule przedstawiono szereg błędów, które mogą być popełniane przez projektantów oraz instalatorów instalacji solarnych. Błędy te po krótszym lub dłuższym okresie eksploatacji instalacji mogą skutkować obniżeniem wydajności instalacji a nawet awariami. Każdy niepotrzebny postój instalacji solarnej lub obniżenie jej wydajności wydłuża okres zwrotu kosztów inwestycji i stawia pod znakiem zapytania jej opłacalność.

dr inż. Jerzy Chodura