Tworzenie pól kolektorów oraz regulacja zestawów solarnych

Prawidłowe połączenie i posadowienie kolektorów słonecznych oraz właściwy algorytm regulacji są nieodzownym warunkiem uzyskania dużej wydajności przez zestaw solarny. Niejednokrotnie z uwagi na różnorodne dostępne warianty lokalizacji kolektorów słonecznych możliwe jest dokonanie wyboru ich umiejscowienia nie gwarantującego uzyskania maksymalnej wydajności. Równocześnie „geometria” całego systemu solarnego uniemożliwia często uzyskanie prawidłowych parametrów instalacji bez zastosowania regulatora solarnego posiadającego funkcje specjalne. Decydując się na zakup tak zwanego kompletnego zestawu solarnego bez konsultacji z dobrym instalatorem można sporo stracić.

Lokalizacja kolektorów słonecznych

Właściwa lokalizacja kolektorów słonecznych odgrywa niebagatelną rolę w uzyskaniu dobrej wydajności instalacji solarnej. Posadowienie kolektorów w „idealnej” pozycji (kolektory usytuowane na południe, nachylone pod właściwym kątem) nie gwarantuje sukcesu jeśli dochodzi na przykład do ich zacienienia. Instalator, który ma zamontować kolektory słoneczne na budynku przedstawionym poniżej, posiadającym dach skierowany na południe ma do dyspozycji szereg możliwości lokalizacji kolektorów słonecznych (rys. 1), których ilość wynika z potrzeby zaspokojenia potrzeb energetycznych tego budynku.

Decydując się na konkretne rozwiązanie należy uwzględnić szereg czynników wpływających na wydajność całego zestawu. Dwóch instalatorów zdecydowało się na rozbicie zestawu kolektorów na dwa niesymetryczne pola (rys. 1b i 1c), trzeci wykorzystał całą środkową połać dachu do zamontowania pojedynczego pola kolektorów (rys. 1d). Rozbicie na dwa niesymetryczne pola niesie za sobą konieczność hydraulicznego zrównoważenia oraz połączenia pól odcinkami rur, to jest niezbędne są dodatkowe nakłady. Dlaczego instalatorzy tak postąpili? Przyczyn może być szereg. Po pierwsze w pokazanym budynku mogą mieszkać dwie rodziny o odmiennych potrzebach energetycznych, które zdecydowały o indywidualnym zakupie zestawów solarnych. Stąd różne ilości wymaganej powierzchni czynnej kolektorów, a co za tym idzie możliwa jest różna ilość kolektorów oraz różna powierzchnia poszczególnych kolektorów (instalatorzy mogli reprezentować różnych producentów, a co za tym idzie mieli do dyspozycji różne wielkości kolektorów). Po drugie wielkość powierzchni środkowej połaci dachu mogła być zbyt mała do umieszczenia na niej całego pola kolektorów. Inną przyczyną mogła być niemożność utworzenia dwóch symetrycznych pól kolektorów. Dachy nie zawsze stanowią jednolitą płaską powierzchnię, istniejące okna dachowe, nadbudówki, wywietrzniki itd. mogą ograniczać powierzchnię dostępną do montażu kolektorów (rys. 2).

W przypadku konieczności wykonania pól o nieparzystej ilości kolektorów może się również okazać, że z uwagi na przykład na oferowane przez producenta zestawy z kolektorami wpuszczanymi w połać dachu, montaż takich układów jest niemożliwy lub bardzo skomplikowany, wymagający poniesienia dodatkowych kosztów.

Jeśli przy budynku stoją na przykład drzewa lub inne budynki (rys. 3) to dochodzić może do zacienienia kolektorów posadowionych na połaci dachowej, a przeniesienie ich w inne miejsce może przed zacienieniem uchronić. Zdarza się również tak, że niemożliwe jest posadowienie kolektorów na połaci dachowej, instalator znajduje wówczas inne lokalizacje (rys. 4)

Łączenie kolektorów w zestawy

Dla zaspokojenia potrzeb energetycznych użytkownika budynku niezbędnych jest zastosowanie kolektorów słonecznych o określonej powierzchni czynnej, mamy zwykle do dyspozycji kolektory o mniejszej i większej powierzchni czynnej, które zastosować? Po pierwsze należy porównać charakterystyki cieplne tych kolektorów, aby sprawdzić ich wydajność. Jeśli te charakterystyki są porównywalne to przechodzimy do dalszej analizy. Należy dążyć do połączenia jak największej ilości kolektorów w pole aby ograniczyć do minimum ilość połączeń, które stanowią źródło strat cieplnych. Oznacza to w przypadku, gdy niezbędne jest zastosowanie przykładowo 10 m² powierzchni czynnej zalecenie wyboru 4 kolektorów o powierzchni 2,5 m² zamiast 5 kolektorów o powierzchni 2,0 m². Zdarza się, że niemożliwe jest bezpośrednie połączenie kolektorów w pole, nie pozwala nam na to wielkość dostępnej powierzchni dachowej. Wówczas instalator zaczyna analizować sytuację, często decyduje się na posadowienie kolektorów „gdzie się da”. Wtedy występuje konieczność połączenia kolektorów odcinkami rur, znajdującymi się na wolnym powietrzu. Nawet najlepsza izolacja tych odcinków nie zapobiegnie przed stratami ciepła. Należy więc dążyć do minimalizacji długości odcinków rur znajdujących się na wolnym powietrzu. Dwa przykłady instalacji na rysunku 5.

W przypadku instalacji na rys. 5a kolektory posadowiono na połaci dachowej bez „ładu i składu” decydując się na stworzenie kilku pól kolektorów z odcinkami rur pomiędzy polami wystawionymi na działanie warunków atmosferycznych. Może dolną część zestawu należało zastąpić kolektorami poziomymi, takimi jakie zastosował instalator w budynku przedstawionym na kolejnym rysunku (rys. 6)?

Dzięki podziałowi zestawu na symetryczne pola (pod warunkiem, że te kolektory tak są połączone) uzyskano zadowalającą wydajność i nie da się ukryć również pozytywny efekt wizualny

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie kolektorów wpuszczanych w połać dachu (rys. 5b), które ma tą dodatkową zaletę, że połączenia kolektorów znajdują się pod dachem. Ogranicza to znacznie straty ciepła.

Jeżeli posadowienie 5 kolektorów pionowych w rzędzie jest z uwagi na dostępną przestrzeń niemożliwe to może warto skorzystać z kolektorów poziomych (rys. 7)?

W każdym z wyżej pokazanych przykładów przewody zbiorcze zostały sprowadzone bezpośrednio pod połać dachu. Dzięki temu są one chronione przed wychłodzeniem. Wyjaśnia to dlaczego w instalacjach solarnych kierować się należy zasadą krótkie zasilanie, długi powrót: gorące medium wytworzone przez kolektory słoneczne winno się jak najszybciej znaleźć w zasobniku.

Przedstawione wyżej rozwiązanie z kolektorami poza budynkiem (rys. 4) wiąże się ze znacznym wydłużeniem odcinka pomiędzy kolektorami słonecznymi a zasobnikiem. Może się zdarzyć, że medium z kolektorów ulegnie znacznemu wychłodzeniu lub w ogóle nie dotrze, gdy na przykład zaciśnięty zostanie kanał, w którym instalator poprowadził przewody instalacji solarnej. Wychłodzenie medium roboczego w trakcie przemieszczania się od kolektorów do odbiornika ciepła to jedno ze źródeł nieprawidłowej pracy instalacji solarnej.

Wybrane zagadnienia regulacji zestawów solarnych

Pokazane powyżej przykłady instalacji solarnych są w głównej mierze zestawami kupionymi przez użytkowników indywidualnych. Osoby te zakupiły tak zwane kompletne zestawy solarne, których podstawowe elementy składowe pokazano na kolejnym rysunku (rys.8).

Od kolektorów słonecznych medium robocze doprowadzane jest przewodem zasilającym (kolor czerwony) do wężownicy zasobnika, gdzie oddaje ciepło wodzie użytkowej i wraca przewodem powrotnym za pośrednictwem pompy solarnej do kolektorów. Prawidłową pracę układu winien zapewnić regulator (sterownik) solarny.

Standardowy regulator załącza pompę w momencie, gdy temperatura na kolektorach słonecznych przekroczy temperaturę w zasobniku o zadaną wartość ΔT załączania i wyłącza, gdy różnica temperatur obniży się poniżej ΔT wyłączania. Gorące medium musi pokonać odcinek drogi od kolektorów do wężownicy, którego długość jest zróżnicowana w poszczególnych instalacjach. Przykładowo w instalacji solarnej, której przewód zasilający ma długość 10 m i średnicę 15 mm ciecz ta potrzebuje 20 sekund na dotarcie do wężownicy przy przepływie rzędu 3,7 l/min i 40 sekund przy przepływie o połowę mniejszym. Gdy średnica przewodu wynosi 22 mm czasy te przy identycznym przepływie wynoszą odpowiednio 56 sekund i 112 sekund. Może się więc zdarzyć (na przykład rano, gdy słońce zaczyna grzać lub po okresach zmniejszonego nasłonecznienia), że do zasobnika dostanie się medium z przewodu zasilającego o objętości odpowiadającej pojemności kolektorów Vk o temperaturze Tot (zwykle jest to temperatura zbliżona do temperatury otoczenia, gdyż medium wychładzając się dąży do osiągnięcia tej temperatury), niższej od znajdującej się w zasobniku Tz i dojdzie do wychłodzenia wody użytkowej.

Jeszcze gorzej, gdy w wyniku długiej drogi i następującego wychłodzenia do zasobnika dojdzie również dodatkowo ciecz wychłodzona (zwłaszcza w sytuacjach, gdy wielkość wychłodzenia medium jest zbliżona do wartości T załączania pompy solarnej).

Kompletne zestawy solarne powszechnie oferowane użytkownikom indywidualnym zwykle wyposażone są w najprostsze regulatory z funkcją załącz-wyłącz, ewentualnie z regulacją prędkości obrotowej pompy.

Producenci regulatorów dla zabezpieczenia się przed wyżej wymienionym zjawiskiem wprowadzili:

• układy z bypasem przed zasobnikiem, który nie wpuszcza medium do wężownicy, gdy temperatura medium jest zbyt niska,
• systemy wolnego przepływu z regulacją prędkości obrotowej pompy solarnej,
• regulację z zastosowaniem procesów statystycznych.

Układy z bypasem wymagają nakładów finansowych, a należy dodatkowo zwrócić uwagę, że w przewodach występują stosunkowo wysokie temperatury również, gdy podczas słabego nasłonecznienia nie ma możliwości dostarczenia energii do zasobnika. Są to niepotrzebne straty.

Układy z systemem wolnego przepływu dokonują redukcji części tych strat poprzez regulację obrotów pompy i zmniejszenie tym samym przepływów w instalacji.

Oferowane użytkownikom indywidualnym sterowniki z regulacją prędkości obrotowej dokonują redukcji części strat ciepła, o których mowa wyżej. Występuje natomiast niebezpieczeństwo, że w wyniku utrzymywania przez regulator wymaganej różnicy temperatur pomiędzy kolektorami a zasobnikiem, do wężownicy dojdzie medium grzewcze o objętości odpowiadającej całej długości przewodu zasilającego zanim dojdzie do wykonania pracy użytecznej, czyli podniesienia temperatury wody użytkowej w zasobniku. To również wyjaśnia dlaczego tak ważne jest wprowadzanie przewodu zasilającego do przestrzeni chronionej, jakim jest budynek albo dodatkowe zabezpieczenie cieplne przewodu prowadzonego „na powietrzu” (rys. 9). Występujące straty są tym większe im większa jest instalacja solarna.

Osiągnięcie minimalizacji strat ciepła możliwe jest jedynie w przypadku realizowania przez regulator solarny odpowiedniego algorytmu, uwzględniającego wszystkie wymienione wyżej parametry. Bez uwzględnienia pojemności oraz temperatur chwilowych kolektorów oraz przewodów niemożliwe jest zapewnienie maksymalnego uzysku instalacji solarnej. Regulator nie powinien dążyć do maksymalizacji uzysku solarnego kolektorów słonecznych, ale do maksymalizacji energii doprowadzonej do zasobnika solarnego. Regulatory zliczające uzysk zestawu solarnego mogą obliczać ilość energii dochodzącej do zasobnika solarnego, nie podając jaka część tej energii była użyteczna.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono zagadnienia, które są pomijane przy zakupie kompletnego zestawu solarnego. Handlowcy oferują często takie zestawy bez wizyty u klienta. Prowadzi to do zakupu zestawów, które nie są w stanie uzyskać dobrej wydajności. W dobie przetargów publicznych z warunkiem najniższej ceny oferowane są urządzenia najtańsze a więc niekoniecznie dobre. Do wymagań ofertowych wprowadza się jedynie parametry kolektora słonecznego, zapominając o pozostałych urządzeniach mających wpływ na wydajność zestawu solarnego.

Jerzy Chodura

Zdjęcia pochodzą z archiwum autora