Usterki w instalacjach solarnych – przyczyny i zapobieganie

Aby uzyskać gwarancję osiągów energetycznych, a co za tym idzie, w perspektywie zwrot poniesionych nakładów inwestycyjnych, instalacja solarna musi być w sposób optymalny dobrana i dobrze eksploatowana. Aby ta prawidłowo dobrana instalacja (zestaw solarny) osiągała wymagane parametry niezbędne jest również prawidłowe wykonanie jej montażu. Na sprawność działania całego zestawu solarnego wpływ ma właściwa praca poszczególnych elementów składowych. Elementy te, w uproszczeniu, pokazano na schemacie. W kolejnych podpunktach omówione zostaną usterki, które mogą w tych elementach wystąpić.

Zasobnik solarny

Bardzo częstą przyczyną usterek zasobnika (poza jego złą jakością) bywa „złe rozpoznanie inwestycji”. Instalator przyjeżdżając do klienta zostaje często skonfrontowany z problemem zbyt małej powierzchni zabudowy albo na przykład ze zbyt małym prześwitem lub nieznaną niedogodnością dróg transportowych na odcinku od punktu wyładunku do miejsca montażu zasobnika. I tu zaczynają się pierwsze kłopoty. Zdarzy się na przykład, że zasobnik wywróci się na stromych schodach. Jeśli nie doszło przy tym zdarzeniu do uszkodzenia powłoki zewnętrznej (metal lub skay) to instalator dokonuje zabudowy zasobnika gdyż użytkownik nie zgłasza zastrzeżeń co do wyglądu. Nie wie natomiast czy w wyniku wywrócenia się nie doszło do pęknięcia ochronnej warstwy emalii a co za tym idzie do zmniejszenia odporności zbiornika na korozję. Powiedzmy, że na schodach problemu nie było ale nagle na drodze pojawiają się drzwi o prześwicie mniejszym od średnicy zbiornika a instalatorowi nie chce się albo nie ma możliwości wyjęcia framugi. Pół biedy jeśli zbiornik posiada zdejmowaną izolację i wszedł dzięki temu do pomieszczenia ale jeśli instalator zaczyna wycinać fragmenty izolacji bo przecież może później ten wycięty fragment izolacji przykleić do pozostałej części lub po prostu włożyć pod skay zbiornika? O konsekwencjach związanych z utratą parametrów izolacji wówczas nie myśli.

{jumi [plugins/content/jumi/porady.html]}

Zasobnik jest już w pomieszczeniu, w którym miał się znaleźć i oto pojawia się następny problem, który nie jest na tym etapie w ogóle brany pod uwagę. Pomieszczenie ma wysokość nieznacznie większą niż wysokość zasobnika więc instalator montuje bez problemu zasobnik posiadający anodę magnezową zabudowaną najczęściej w pokrywie górnej. Czy jednak pamięta o konieczności jej wymiany po zużyciu się? Jeśli anoda taka ma długość rzędu 600 mm to trzeba będzie ją w jakiś sposób wyjąć, a miejsca brak! A przecież można było problemu uniknąć kupując zasobnik z anodą obcowzbudną lub też z anodą segmentową.

Połączenia hydrauliczne

Instalator ustawił już zasobnik we właściwym położeniu i przymierza się do sposobu podłączenia króćców zimnej i ciepłej wody, cyrkulacji a od strony kolektorów słonecznych do podłączenia przewodów zasilania i powrotu. Zakładamy, że sprzedawca zadbał o to aby zasobnik był typowym zasobnikiem solarnym (z dwoma wężownicami), w którym dochodzi rzadko do zaburzenia warstw temperaturowych, wężownice posiadają konstrukcję ograniczającą możliwość gromadzenia się powietrza, izolacja jest wystarczająca, zasobnik posiada tuleje lub kanały pod czujniki temperatury itd. Zakładamy również, że sieć zimnej wody posiada grupę bezpieczeństwa wyposażoną w odpowiedni zawór ograniczający ciśnienie. Jakie instalator może popełnić błędy i jakie są tego konsekwencje?

Zamiana gałęzi zasilania i powrotu

Na odcinku pomiędzy kolektorami a grupą solarną
Podłączenie kolektorów słonecznych w nieprawidłowy sposób (zamiana zasilania – gałąź gorąca instalacji z powrotem – gałąź zimna) prowadzi nieuchronnie do pracy pompy w sposób nieciągły (pompa na przemian załącza się i wyłącza). Wynika to z faktu, że czujnik temperatury znajduje się w miejscu, gdzie medium schłodzone w wymienniku zasobnika trafia z powrotem do kolektora. Czujnik temperatury ogrzewa się i podaje sygnał do załączenia pompy, a następnie jest natychmiast wychładzany przez docierające do niego medium.
Jak sprawdzamy prawidłowość położenia czujnika?
Należy sprawdzić położenie czujnika przy pracującej pompie i dużym nasłonecznieniu poprzez dotknięcie przewodów. Czujnik musi się znajdować na gorącej gałęzi instalacji.
Jeżeli temperatura kolektorów rejestrowana przez regulator jest niższa od temperatury odczytanej przez termometr na grupie solarnej to jest to dowodem na zamianę powrotu z zasilaniem. Ciecz schłodzona w wymienniku oraz przewodach pompowana jest w stronę czujnika.
Schłodzona w wymienniku zasobnika solarnego ciecz powinna być pompowana w stronę powrotu kolektorów słonecznych. Jeżeli załączymy ręcznie wieczorem pompę solarną przy zagrzanym zasobniku to powrót musi być ciepły. Jeżeli okaże się, że ciepłe jest zasilanie to jest to dowodem na zamianę zasilania z powrotem.
Jeżeli w trakcie napełniania instalacji od strony powrotu dochodzi do natychmiastowego obniżenia temperatury, a nie po upływie pewnego okresu czasu, to jest to oznaką, że czujnik znajduje się na powrocie (opisana sytuacja zachodzi w przypadku istnienia nasłonecznienia)

Na odcinku pomiędzy grupą solarną a zasobnikiem
W tym przypadku do wymiennika solarnego doprowadzane jest gorące medium od dołu wężownicy w górę. Prowadzi to do zaburzenia warstw temperaturowych w zasobniku oraz zbyt małego schłodzenia gałęzi powrotu a co za tym idzie spadku wydajności instalacji.

Kolektory podłączone do grupy solarnej od dołu
W efekcie grupa solarna jest podłączona do zasilania i poddana jest działaniu wysokich temperatur. Dochodzi do wysysania ciepła z zasobnika.

Prowadzenie przewodów rurowych w pionowym kanale wentylacyjnym

Instalatorzy preferują zwykle prowadzenie przewodów rurowych do kolektorów słonecznych umiejscowionych na dachu w pionowym kanale wentylacyjnym lub kominowym. Jak reaguje kominiarz, gdy wykorzystuje się czynny przewód kominowy i jakie są tego konsekwencje? Przyjmując, że wykorzystuje się nieczynny przewód kominowy instalator winien wykorzystać na etapie montażu zaizolowane rury. Wpychanie izolacji cieplnej na wcześniej położone rury nigdy nie zapewni pełnej izolacji.
Instalator montując rury prowadził je cały czas po wzniosie, wychodzą one więc z komina w górę. I w tym momencie może się pojawić problem jeżeli okaże się, że do izolacji „dobiorą się ptaki” wydziobując izolację. Po pierwsze dziury w izolacji to straty ciepła, po drugie przez tak powstałe otwory pod izolację może się przedostawać wilgoć, zwłaszcza gdy dziury w izolacji znajdą się w pobliżu przewodu kominowego i krople deszczu spływać będą pod izolacją po rurach do komina. Jak funkcjonuje taka izolacja? Na dachu gorący kolektor, w zbiorniku zimna woda. O tym, że elementem zestawu powinna być izolacja solarna, to jest odporna na działanie szerokiego zakresu temperatur, na wpływ czynników atmosferycznych oraz promieniowania ultrafioletowego, posiadająca odpowiednią grubość nikogo nie trzeba przekonywać.

Montaż instalacji na dachu

Przewody instalacji solarnej zostały wyprowadzone na dach i tu może się pojawić następny problem, jeśli okaże się, że zakupiony został zestaw z nieodpowiednią konstrukcją mocującą kolektory słoneczne. Instalator dostrzeże to jednak zwykle przed montażem kolektorów i szybko wymieni na właściwy. Gorzej jeżeli okaże się, że instalator oszczędzał na zakupie kompasu i zawierzy klientowi, że połać dachu, na której montuje kolektory jest połacią południową, a w rzeczywistości będzie wschodnią lub zachodnią, nie mówiąc już o przypadku, gdy kolektory zamontowano na połaci północnej, bo akurat ta połać widoczna jest od strony drogi a właścicielowi zależy jedynie na prestiżu. Instalacja solarna może wówczas nie osiągać pożądanej wydajności.

Prawidłowe napełnianie instalacji

W trakcie napełniania instalacji stosuje się zasadniczo trzy podstawowe metody.

Za pośrednictwem stacji (wózka) odpowietrzająco – napełniającej
Stacja umożliwia zarówno płukanie jak i napełnianie obwodu solarnego. Zastosowany w stacji filtr umożliwia oddzielenie wszelkich zanieczyszczeń pozostałych po spawaniu rur, ewentualnych pozostałości we wnętrzu absorbera oraz wężownicy zasobnika solarnego. Płukać należy stosując wodę, chyba, że zachodzi potrzeba płukania przy temperaturach ujemnych i zachodzi obawa zamarzania. Do napełniania instalacji najwygodniej jest stosować gotowe ciecze solarne o wymaganej odporności na zamarzanie. Instalację należy napełniać przez dłuższy okres czasu (zwykle ½ do 1 godziny) na zmianę w obu kierunkach (w stronę powrotu i w stronę zasilania), powietrze wydziela się z układu przez stację. Jeżeli do napełniania wykorzystujemy stację to wszystkie odpowietrzniki zastosowane w instalacji solarnej należy zamknąć.
Dla zapewnienia możliwości płukania instalacji w obu kierunkach niezbędne jest zastosowanie króćców napełniających w takich miejscach aby to umożliwić. Jeżeli w instalacji zastosowano rotametr to należy pamiętać o tym, że umożliwia on jedynie przepływ w jednym kierunku i jest równocześnie zaworem blokującym niepożądany kierunek przepływu.

Za pomocą pompy ręcznej
Instalację przepłukuje się wodą wodociągową aż do momentu, gdy nie stwierdzi się zanieczyszczeń wydostających się z instalacji. Płyn solarny znajdujący się w pojemniku pompuje się za pośrednictwem ręcznej pompy, zawory odcinające pod odpowietrznikami automatycznymi (lub odpowietrzniki ręczne) należy otworzyć. Pompę należy podłączyć do króćca napełniającego położonego najniżej i powoli tłoczy się płyn do instalacji, tak aby powietrze mogło się wydostać przez odpowietrzniki. W momencie, gdy przez odpowietrzniki zacznie się wydostawać płyn należy je zamknąć. Tłoczyć dalej aż do uzyskania w instalacji wymaganego ciśnienia.
Przed napełnianiem instalacji niezbędne jest sprawdzenie wartości ciśnienia wstępnego w naczyniu wzbiorczym (przeponowym), które wynosi standardowo 1,5 bar. Wartość ciśnienia wstępnego musi być tak dobrana aby w każdych warunkach pracy instalacji w jej najwyższym punkcie istniało nadciśnienie, które jest w stanie wypchnąć gromadzące się tam pęcherzyki powietrza. Jeżeli decydujemy się na samodzielne przygotowanie płynu solarnego to należy pamiętać, że dla zapewnienia wymaganej ochrony przed zamarzaniem konieczne jest zapewnienie odpowiedniej proporcji pomiędzy koncentratem płynu solarnego a wodą. Podawana przez producenta proporcja mieszania składników (glikol – woda) dotyczy zwykle przygotowania cieczy o temperaturze 20ºC.

Powietrze w obiegu solarnym

Zapowietrzenie instalacji solarnej jest najczęstszym powodem zakłóceń w pracy systemu. Najwięcej powietrza pojawia się w obwodzie solarnym w wyniku nieprawidłowego napełniania i odpowietrzania. Należy więc zagadnieniu temu poświęcić szczególną staranność. W przypadku występowania stosunkowo dużych prędkości przepływu w instalacji solarnej, co ma miejsce na przykład w przypadku zastosowania „zbyt mocnej” pompy, często pojawiają się trudne do zlikwidowania problemy z powietrzem w instalacji. Przyczyny gromadzenia się powietrza w instalacji:

• nieprawidłowo poprowadzone poziome rury,
• niewłaściwie umiejscowione odpowietrzniki,
• nieprawidłowe napełnianie instalacji,
• niewłaściwe ciśnienie wstępne w naczyniu wzbiorczym,
• małe średnice rur skutkujące dużymi prędkościami przepływu,
• pęcherzyki powietrza pozostałe po napełnianiu,
• zasysanie powietrza przez podciśnienie na przyłączach pompy,
• wydzielanie się powietrza oraz gazów w momencie rozgrzania instalacji oraz spadku ciśnienia,
  – im niższe ciśnienie tym mniej powietrza przyjmuje woda,
  – im wyższa temperatura tym mniej powietrza może w wodzie pozostać

Korzystając z prawa Henry’ego określić można ile powietrza może wydzielić się z wody znajdującej się w płynie solarnym w przypadku jego podgrzania np. o 60K oraz w przypadku obniżenia się ciśnienia. W momencie schłodzenia się cieczy powietrze ponownie wchłonięte zostanie przez wodę. Pęcherzyki powietrza zgromadzone w instalacji powodują szereg problemów:

• niedostateczny przepływ cieczy w obwodzie hydraulicznym,
• odgłosy wydostające się z układu,
• brak lub niedostateczny „transport ciepła”,
• niska wydajność kolektorów słonecznych,
• możliwość „korozji” i przyspieszonych procesów starzenia się w wyniku obecności powietrza,
• możliwość tworzenia się szlamu w przewodach instalacji,
• przegrzewanie się elementów instalacji, np. pompa obiegowa, która może szybciej ulec zapowietrzeniu,
• erozja elementów instalacji, które miały kontakt z przemieszczającym się powietrzem.

Koszty związane z usunięciem problemu mogą być znaczne i są trudne do skalkulowania. Aby zapobiec pojawianiu się niepożądanych pęcherzyków powietrza w instalacji solarnej niezbędne są jej fachowy montaż oraz napełnienie. Instalator powinien zapoznać się z następującymi uwagami:

• instalacja solarna powinna z reguły być napełniana powoli w takim tempie aby przemieszczająca się ciecz grzewcza wypychała powietrze przez odpowietrzniki instalacji, dla zapewnienia prawidłowego napełniania zaleca się stosowanie stacji napełniających umożliwiających jednoczesne odpowietrzanie,
• kolektory słoneczne powinny być montowane z lekkim wzniosem w stronę odpowietrznika, tak aby pęcherzyki powietrza, które mają tendencję do przemieszczania się w górę wydostały się z instalacji przez odpowietrznik znajdujący się w najwyższym punkcie,
• w przypadku stosowania odpowietrzników ręcznych należy w trakcie pierwszego napełniania instalacji dokonywać odpowietrzania kilkakrotnie gdyż pęcherzyki powietrza zbierają się ponownie,
• w przypadku dopełnienia instalacji (uzupełniania cieczy) wąż napełniający musi być odpowietrzony,
• w trakcie pracy instalacji wydzielanie się cząstek powietrza zależy od prędkości przepływu cieczy oraz średnicy rur, pęcherzyki powietrza mogą więc być porywane również w dół instalacji,
• usytuowanie oraz kształt odpowietrzników musi umożliwiać szybkie wydostawanie się powietrza,
• wszelkie nieszczelności w instalacji prowadzą do spadku ciśnienia co może powodować zasysanie powietrza z otoczenia.

W wężownicy zasobnika solarnego powietrze może się utrzymywać dość długo. Jeżeli istnieje możliwość otwarcia zaworu zwrotnego w obwodzie zasilania przy wyłączonej pompie solarnej to część powietrza może się przemieścić w górę w kierunku kolektorów.
Na pompie solarnej w jej osi znajduje się śruba, którą można obrócić (nawet za pomocą monety) i wówczas powietrze wydostanie się z pompy. Trzeba się jednak spodziewać, że przy tym zabiegu wydostanie się z pompy nieco płynu.
Odpowietrzniki winny być umieszczone w najwyższych punktach, w taki sposób aby pod nimi znajdowała się pewna przestrzeń umożliwiająca gromadzenie się powietrza. Odpowietrzniki mogą być odpowietrznikami ręcznymi lub automatycznymi, przy zastosowaniu odpowietrzników automatycznych należy pamiętać o konieczności usytuowania ich na zaworze odcinającym. Zbyt duże jest bowiem ryzyko, że w przypadku przejścia instalacji w stan stagnacji przez odpowietrznik wydostawać się będzie para.

Elementy instalacji solarnej – możliwe błędy w trakcie montażu oraz użytkowania

Regulator (sterownik):

• Czujniki temperatury zamontowane do niewłaściwych gniazd. Efektem jest sygnalizacja błędu przez sterownik.
• Pompa zamocowana do niewłaściwych przyłączy. Efektem jest brak pracy pompy albo praca niekontrolowana.
• Regulator zamontowany w miejscu, gdzie możliwe jest spryskanie go cieczą albo przy źródle ciepła, ewentualnie w pobliżu innych przewodów energetycznych. Efektem są zakłócenia w pracy lub zwarcie
• Niewłaściwe nastawy regulatora, wynikają zwykle z niechęci instalatorów do czytania instrukcji obsługi. Typowe błędy to: za wysoka temperatura minimalna kolektora – instalacja zbyt późno rozpoczyna pracę; zbyt niska temperatura minimalna – możliwość wychładzania zasobnika; maksymalna temperatura zasobnika – za niska wartość prowadzi do niepotrzebnego wyłączania się pompy solarnej; zbyt wysoka z kolei do niebezpieczeństwa przegrzania zasobnika; niewłaściwy układ pracy – sygnalizacja błędów, niekontrolowana praca, itd.

Grupa solarna:

• Nieprawidłowy montaż naczynia wzbiorczego. Naczynie należy podłączyć w taki sposób, aby szybkozłączka znajdowała się bezpośrednio przy naczyniu. Wąż naczynia powinien być podłączony do szybkozłączki od góry naczynia (rys. 2). Wynika to z prostej przyczyny: przy takim podłączeniu membrana naczynia zawsze styka się z płynem i nie ma niebezpieczeństwa jej pracy „na sucho” albowiem ewentualna poduszka powietrzna na membranie wydostanie się do góry, co pozwala na uniknięcie przyspieszonego starzenia się membrany i w efekcie nieszczelności.
• Wąż naczynia powinien być poprowadzony od grupy solarnej do naczynia ze spadkiem aby powietrze mogło się z niego wydostać. Dzięki takiemu ułożeniu węża ciepło z obwodu solarnego omija membranę naczynia.
• Zawór szybkozłączki naczynia zamknięty. Powoduje to odcięcie naczynia od obwodu solarnego, a co za tym idzie skok ciśnienia, aż do możliwości zadziałania zaworu bezpieczeństwa.
• Zawór regulacyjny rotametru (śruba nad rotametrem) w położeniu powodującym odcięcie przepływu lub zbyt mocno ograniczającym przepływ. Należy dążyć do pracy z w pełni otwartym zaworem i automatyczną regulacją przepływu przez regulator.
• Niewłaściwy bieg pompy. Efektem jest zbyt duży lub zbyt niski przepływ. Zbyt duży przepływ prowadzi do niskiej temperatury kolektorów, zbyt niski przepływ może z kolei w lecie prowadzić do trudności z odprowadzeniem ciepła do zasobnika. Przepływ należy ustawić zgodnie z zaleceniami producenta. Duży przepływ nie odgrywa roli w przypadku regulacji prędkości obrotowej pompy, a nawet może być korzystny w okresie letnim.
• Brak zaworów antygrawitacyjnych skutkujący cyrkulacją ciepła w kierunku kolektorów słonecznych.
• Zamknięte zawory odcinające na zasilaniu/ powrocie.
• Nieprawidłowa pozycja montażu grupy solarnej, grupa solarna winna być montowana pionowo.
• Zniszczone w trakcie montażu grupy uszczelki mogą prowadzić do przecieków.
• Manometr grupy winien być pozostawiony w położeniu dostarczonym przez producenta grupy, wszelkie przeróbki mogą prowadzić do nieprawidłowych wskazań.

Zasobnik

• Brak anody ochronnej, prowadzi do braku ochrony emalii zasobnika a co za tym idzie do przyspieszonego zużycia.
• Króćce przyłączeniowe zimnej i ciepłej wody uszczelnione pakułami. Między stalą zasobnika a materiałem złączki dochodzi w efekcie do korozji stykowej, ewentualnie przy zbyt mocnym dokręceniu dochodzić może do odprysków emalii zasobnika, wykorzystywać należy złączki posiadające powierzchniowe uszczelnienie.
• Brak zaworu mieszającego albo nieprawidłowe jego podłączenie. Należy stosować się do instrukcji montażu i ustawić właściwą temperaturę aby nie dopuścić do oparzenia się lub do niezadowolenia użytkownika z powodu niskiej temperatury.
• Brak zaworów zwrotnych może prowadzić do cyrkulacji ciepła i wychładzania zasobnika, ciepła woda może się pojawić w miejscach niepożądanych.
• Przyłącze cyrkulacji, nieprawidłowe podłączenie obwodu cyrkulacji może doprowadzić nawet do uszkodzenia pompy cyrkulacyjnej. Zaleca się skorzystanie z opcji sterownika pozwalającej na czasowe załączanie się pompy cyrkulacyjnej. Najkorzystniejsze jest zastosowanie regulatora cyrkulacji, co pozwala na minimalizację strat energii.
• Nieszczelne przyłącza. Należy zwrócić uwagę na szczelność tulei zanurzeniowej, kołnierza rewizyjnego oraz korka zamykającego mufę na grzałkę.

Kolektory słoneczne

• Niewłaściwa lokalizacja i montaż czujnika temperatury. Podczas umieszczania czujnika w tulei należy zadbać o jego zabezpieczenie przed wysunięciem się, zapewnienie co najmniej liniowego styku czujnika z tuleją oraz umieszczenie go na zasilaniu instalacji (gałąź gorąca), a także o uszczelnienie nie pozwalające na przedostanie się do tulei wody i zanieczyszczeń.
• Przewód czujnika temperatury winien być poprowadzony w osłonie i zabezpieczony przed możliwością uszkodzenia np. w wyniku jego przeginania przez napierający wiatr.

Przewody

• Rury winny być odporne na działanie wysokich temperatur oraz cieczy solarnej. W bezpośrednim sąsiedztwie kolektorów nie wolno w żadnym wypadku stosować rur z tworzyw sztucznych.
• Brak zasyfonowania przewodów, może umożliwiać cyrkulację ciepła.
• Należy stosować wyłącznie izolacje solarne, odporne na działanie wysokich temperatur, promieniowania ultrafioletowego oraz czynników atmosferycznych.
• Nieprawidłowy montaż rur z „garbami” w instalacji prowadzi do nieuchronnego gromadzenia się powietrza. Jeżeli nie da się ich uniknąć to należy stosować odpowietrzenie miejscowe. W przypadku rur typu flex, o specyficznej budowie umożliwiającej gromadzenie się powietrza w karbach rur, należy bezwzględnie zadbać o ułożenie ich po wzniosie.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono możliwe źródła usterek w instalacji solarnej, które wpływają na jej wydajność. Instalator zestawu solarnego montując prawidłowo urządzenia uniknie problemów, a użytkownik uzyska wiedzę, która pozwoli mu na „kontrolowanie” instalatora.

Jerzy Chodura