Optymalizacja wydajności kolektorów słonecznych

Tylko odpowiednio dobrana oraz dokładnie przemyślana instalacja solarna pozwoli na osiągnięcie założonych celów energetycznych. Na co zwrócić uwagę podczas dopasowania i montażu systemu lub jego rozbudowy, aby działał on jak najefektywniej?

optymalizacja wydajnosci kolektorow slonecznych - Optymalizacja wydajności kolektorów słonecznychFot. 1. Precyzyjny dobór elementów oraz wybór lokalizacji, jak również współpraca z systemami automatyki sprawi, że system solarny będzie pracował z najwyższą możliwą wydajnością. Fot. Viessmann

W 2013 r. Polska uplasowała się na trzecim miejscu, jeśli chodzi o ilość montowanych rocznie kolektorów słonecznych – po Niemczech i Włoszech, a przed Hiszpanią, Grecją i Francją, w 2014 zaś (wg raportu ESTIF) spadła tylko o jedną pozycję. Prężny rozwój tego segmentu rynku, niższe koszty, programy wspierające finansowanie oraz rosnąca świadomość Polaków dotycząca odnawialnych źródeł energii sprawiły, że w systemy solarne inwestowaliśmy coraz częściej. Budowanie huraoptymistycznych opinii należy jednak poprzedzić dogłębną refleksją – owszem, instalacje solarne są opłacalne, o ile tylko ich montaż został poparty indywidualną analizą obiektu i lokalizacji.

optymalizacja wydajnosci kolektorow slonecznych 1 - Optymalizacja wydajności kolektorów słonecznychFot. 2. Praca kolektorów słonecznych uzależniona jest od warunków panujących w danym regionie, przede wszystkim od nasłonecznienia. Fot. Hewalex

Precyzyjny dobór

optymalizacja wydajnosci kolektorow slonecznych 2 - Optymalizacja wydajności kolektorów słonecznychFot. 3. Wyprodukowaną energię z powodzeniem spożytkujemy do podgrzania wody użytkowej. Fot. Immergas

To oczywiste, że praca kolektorów słonecznych jest uzależniona od warunków panujących w danym regionie, przede wszystkim od nasłonecznienia. Inwestor, użytkownik instalacji nie ma zatem wpływu na efektywność ich działania czy plan pracy. Dlatego też kluczową kwestią jest w tym przypadku prawidłowy dobór urządzeń oraz ich dopasowanie do potrzeb inwestycji, jak również znajomość odbiornika ciepła wspieranego przez system solarny. Oczywiście, podstawą jest precyzyjne dopasowanie elementów instalacji do zapotrzebowania obiektu na energię (na ciepłą wodę użytkową). Oprócz tego zaś indywidualne nastawy sterownika solarnego oraz natężenie przepływu płynu solarnego, jak również prawidłowe ustalenie temperatur granicznych pracy obiegu solarnego, tak aby możliwe było osiągnięcie jak największych uzysków z systemu solarnego.
Przewymiarowanie instalacji może sprawić, że nośnik grzewczy ulegnie przegrzaniu (czasami dochodzi nawet do uszkodzenia elementów systemu), niedowymiarowanie – że kolektory nie dostarczą zakładanej ilości energii. Z problemem przegrzania borykamy się także w prawidłowo zaprojektowanych instalacjach, przede wszystkim w okresie braku odbioru ciepła. Do jego zniwelowania konieczne byłoby takie zoptymalizowanie budowy kolektora, aby do absorbera docierała taka sama ilość energii niezależnie od warunków zewnętrznych. W związku z tym na rynku pojawiły się np. kolektory z dodatkową powłoką zawierającą tlenek wanadu (kiedy temperatura na powierzchni absorbera przekracza dany poziom, np. 70° C, dotychczas przeźroczysty związek zaczyna odbijać większość promieniowania, uniemożliwiając dalsze dogrzewanie absorbera). Powszechniej wykorzystywanym rozwiązaniem są jednak układy umożliwiające automatyczną regulację i optymalizację natężenia przepływu czynnika grzewczego w systemie solarnym. Przydatną funkcjonalnością dostępną w niektórych regulatorach jest możliwość płynnej regulacji obrotów pompy obiegowej, czyli jednocześnie zmiany natężenia przepływu. Zastosowanie automatycznych sterowników pozwala ponadto na załączanie funkcji chłodzenia (czy też urlopowej), dzięki którym nie grozi nam przegrzanie poszczególnych elementów instalacji.
Dopóki instalacja solarna będzie produkować pewną nadwymiarową energię, dopóty musimy sięgać po optymalne metody ich zagospodarowania. Problem można rozwiązać poprzez przekazanie energii na potrzeby ogrzewania wody basenowej, dzięki czemu pokryjemy straty ciepła, do których dochodzi w nocy. Wymagane jest tu zastosowanie w instalacji solarnej specjalnego wymiennika basenowego.

reklama

optymalizacja wydajnosci kolektorow slonecznych 3 - Optymalizacja wydajności kolektorów słonecznychFot. 4. Efektywna praca solarów wymaga skomunikowania z pozostałymi elementami systemu grzewczego. Fot. Immergas

Przede wszystkim: lokalizacja i montaż

Kolektory słoneczne osiągają największą wydajność, kiedy ich powierzchnia jest optymalnie ustawiona i odkryta. Bardzo istotne jest odpowiednie nachylenie solarów, czyli takie, które pozwoli nam na osiągnięcie najlepszych wyników, niezależnie od poru roku, ale przede wszystkim w okresie ciepłym (od kwietnia do września). Należy tak dobrać i ustawić instalację, aby nie dochodziło do wspomnianych nadwyżek ciepła w sezonie letnim – energia słoneczna powinna umożliwić produkcję takiej ilości energii, jaka wystarczy do przygotowania c.w.u.
Według niektórych projektantów systemów solarnych optymalizacja całorocznej instalacji solarnej ma umożliwić zniwelowanie różnic w energii, jaka dociera do systemu w poszczególnych miesiącach, a naszym priorytetem powinno być dążenie do zwiększenia ilości energii pozyskiwanej w zimniejszym okresie, nawet jeśli miałoby się to odbyć kosztem zysków w okresie letnim. Powszechniej stosowanym rozwiązaniem jest jednak wykorzystywanie maksimum energii słonecznej w sezonie letnim, dzięki czemu kolektory bez problemu wypełnią zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową bez potrzeby załączania kotła (czy innego urządzenia) poza sezonem grzewczym – opłacalność tak przemyślanego systemu będzie większa.
Naszym celem jest zwiększenie współczynnika f, czyli stosunku sumy promieniowania słonecznego padającego na m2 powierzchni nachylonej do energii padające na m2 powierzchni niepochyłej. Za optymalne dla całorocznego podgrzewania c.w.u. możemy uznać ustawienie zakresu kątów na poziomie 30-45°. Z drugiej strony nie należy tu generalizować – ustawienie i sposób montażu kolektorów ustalamy indywidualnie do inwestycji.
Montaż instalacji musi zostać poprzedzony dokładną analizą stanu systemu ciepłej wody użytkowej oraz obiegu cyrkulacji, inaczej wpływ energetyczny kolektorów na pracę całego systemu pozostanie niezauważony, a nakłady energetyczne oraz wydatki na przygotowanie c.w.u. nadal będą znaczne. Aby ograniczyć straty energii, w wielu przypadkach wystarczy jedynie dobra izolacja rur oraz zarządzanie pracą pompy cyrkulacyjnej poparte wiedzą i znajomością instalacji.
Miejmy na uwadze, że na pracę kolektorów słonecznych w ogromnej mierze wpływają obciążenia mechaniczne. Podczas montażu należy kierować się zasadami opisanymi w normach z serii PN-EN 1991. Dotyczy to szczególnie zabezpieczeń przed działaniem wiatru i śniegu – śnieg dodatkowo obciąża kolektory, wiatr z kolei napiera na konstrukcję (w normach wyszczególniono strefy wiatrów i właściwości terenów zabudowanych). W związku z tym podczas projektowania systemu solarnego należy rozważyć, czy dach uniesie ciężar kolektorów (często wraz ze śniegiem), czy wytrzyma siłę naporu wiatru oraz czy zapewnione zostanie prawidłowe podparcie kolektora. Konieczna będzie zatem inspekcja dachu, szczególnie w przypadku starszego budownictwa. Na efektywność pracy kolektorów słonecznych wpływa oczywiście również jakość wykonania systemu. Brak ciągłości w płaszczu osłaniającym izolację czy pominięcie zabezpieczeń przed przenikaniem wody i wilgoci prowadzi do znacznych strat ciepła w elementach służących do transportu energii od kolektorów do odbiornika ciepła.

Podgrzewacz lub zasobnik

Ogromne znaczenie dla optymalnej pracy systemu ma też wybór kolejnych elementów instalacji. Pod uwagę bierzemy tu m.in. powierzchnię kolektorów słonecznych, zużycie dobowego profilu rozbioru wody oraz specyfikę inwestycji (nowy układ podgrzewania wody czy może rozbudowa istniejącego systemu). Zastosowanie w domach jednorodzinnych oraz małych budynkach użytkowych mają głównie instalacje z podgrzewaczem 2-wężownicowym wody użytkowej; powierzchni absorberów nie przekracza tu 10 m2 (zdecydowanie częściej jest to 5-7 m2). Innym rozwiązaniem jest instalacja z podgrzewaczem 1-wężownicowym wody użytkowej (wykorzystywana w przypadku rozbudowy starego systemu oraz w obiektach o większym zapotrzebowaniu na c.w.u.) lub instalacja z zasobnikiem wody użytkowej.

optymalizacja wydajnosci kolektorow slonecznych 4 - Optymalizacja wydajności kolektorów słonecznychIreneusz Jeleń, menedżer ds. marketingu i szkoleń, HEWALEX

Zdaniem EKSPERTA
Z kolektorami w duecie

Podkreślaną w ostatnim czasie zaletą kolektorów słonecznych jest najwyższa spośród znanych powszechnie technologii grzewczych efektywność energetyczna. Wynika ona ze śladowego zużycia energii przez instalację solarną (pompa obiegowa i sterownik). Praca kolektorów słonecznych niezależnie od podstawowego źródła ciepła w budynku zapewnia w bezpośredni sposób skrócenie czasu jego pracy i oszczędności w zużyciu paliwa.
Zwiększaniu efektów pracy z instalacji solarnej sprzyja zapewnienie dobrych warunków dla odbioru ciepła, w szczególności możliwie najniższej temperatury roboczej. Osiąga się to poprzez dobór odpowiedniej wielkości podgrzewacza wody: objętości, ale również wielkości wężownicy lub wymiennika ciepła.
Zwiększaniu efektów pracy z instalacji solarnej sprzyja dodatkowo zastosowanie komunikacji pomiędzy regulatorem instalacji solarnej i regulatorem źródła ciepła. Można wówczas w większym stopniu decydować o potrzebie pracy np. kotła w zależności od pracy instalacji solarnej. Kolektory słoneczne mogą pracować z każdym rodzajem źródła ciepła, pozostaje jedynie kwestia odpowiedniego doboru wielkości instalacji. Przy współpracy z nowoczesnym kotłem gazowym instalacja może być „niedowymiarowana” – taki kocioł cechuje się wysoką elastycznością pracy i bez znaczącego uszczerbku dla sprawności pracy, może uzupełniać niedobory ciepła. W przypadku kotłów na paliwa stałe, instalacja solarna może być wręcz „lekko przewymiarowana”, aby maksymalnie ograniczać liczbę rozruchów kotła i jego czas pracy. Wynika to ze zwiększonej bezwładności cieplnej kotłów na paliwa stałe o dużej pojemności wodnej i dużej masie własnej, gdzie każdy rozruch i postój wiąże się ze znacznymi stratami ciepła.
Współpraca kolektorów słonecznych znajduje także uzasadnienie w przypadku pomp ciepła, gdzie skraca czas pracy sprężarki (niższe koszty, dłuższa trwałość), a w przypadku pomp gruntowych poprawia warunki pracy dolnego źródła ciepła (mniejsze obciążenie, dłuższy czas regeneracji).

Iwona Bortniczuk
Na podstawie: dr. inż. Adolf Mirowski, „Podręcznik dobrych praktyk na bazie szwajcarskich i polskich doświadczeń w zakresie wykorzystywania odnawialnych źródeł energii” oraz materiałów firm Viessmann, HEWALEX, Caldoris Polska
Konsultacja merytoryczna: Ireneusz Jeleń, menedżer ds. marketingu i szkoleń, HEWALEX

UDOSTĘPNIJ
Poprzedni artykuł„10 mitów inteligentnych domów” – wesprzyj wydanie książki
Następny artykułFachowy Instalator 1/2016

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Please enter your comment!
Please enter your name here