Opis instalacji solarnej fototermicznej z kolektorami próżniowymi na budynku 3.2. WIM UTP w Bydgoszczy. Dokumentacja stanowiska dydaktycznego

Transkrypt

1 Opis instalacji solarnej fototermicznej z kolektorami próżniowymi na budynku 3.2. WIM UTP w Bydgoszczy Dokumentacja stanowiska dydaktycznego

2 Spis treści Str. I. Informacje ogólne Wprowadzenie Opis instalacji Schemat ideowy instalacji i wykaz urządzeń... 6 II. Elementy instalacji solarnej obieg solarny Kolektory próżniowe Mocowanie kolektora do fasady Ochrona odgromowa konstrukcji wsporczej Bezpiecznik termiczny MST Odpowietrznik solarny i zawór kulowy Pojemnościowy podgrzewacz wody użytkowej Zawór trójdrogowy przełączający z napędem Hydrauliczny system zabezpieczenia instalacji przed przegrzaniem Stacja pompowa obiegu solarnego Ciśnieniowe naczynie przeponowe obiegu solarnego Przepływomierz obiegu solarnego Rurociąg obiegu solarnego Otulina izolacyjna oraz osłona rurociągów solarnych Płyn obiegu solarnego III. Elementy instalacji solarnej obieg wody użytkowej Ciśnieniowe naczynie przeponowe wody użytkowej Rurociąg obiegu wody użytkowej IV. Elementy instalacji solarnej automatyka sterująca System zasilania awaryjnego automatyki Sterownik układu Resol DeltaSol M Zabezpieczenie instalacji przed przegrzaniem z wykorzystaniem sterownika Elementy kontrolno pomiarowe sterownika Miernik irradiacji Resol CS10 Solar cell Czujniki temperatury Miernik temperatury zewnętrznej FAP13 firmy Resol Zabezpieczenie przeciw przepięciowe Resol SP Przewody do podłączenia czujników Datalogger DL2 V

3 25. Router D-Link V. Procedury eksploatacyjne instalacji solarnej Procedura uzupełniania glikolu w instalacji Procedura odpowietrzania instalacji solarnej Procedura wymiany rury próżniowej kolektora Procedura wymiany kolektora VI. Realizacja badań Badanie efektywności kolektora słonecznego Prezentacja wyników pomiarów z wykorzystaniem oprogramowania Service Center System prezentacji parametrów instalacji solarnej w Internecie VBus.net Literatura Załączniki

4 I. Informacje ogólne 1. Wprowadzenie Cel: Instalacja solarna powstała jako stanowisko dydaktyczne z możliwością prowadzenia ograniczonych badań kolektorów słonecznych cieplnych, cieczowych (fototermicznych). Zamawiający: Instytut Technik Wytwarzania Wydziału Inżynierii Mechanicznej, Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego, Al. prof. S. Kaliskiego 7, Bydgoszcz. Wykonawca: Projekt oraz wykonanie Projprzem Eko Sp. z o.o., Zamość k/bydgoszczy, ul. Osiedlowa 1, Szubin. Lokalizacja: Budynek nr 3.2 Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Technologiczno- Przyrodniczego w Bydgoszczy przy Al. prof. S. Kaliskiego 7, w Bydgoszczy. Cechy instalacji: Instalacja charakteryzuje się następującymi cechami: Możliwością badania mocy kolektorów i ilości wytwarzanego ciepła Możliwością badania charakterystyki cieplnej kolektorów w zależności od różnych czynników, m.in. ilości napromieniowania słonecznego, temperatury otoczenia, temperatury odbiornika itp Możliwością określania strat przesyłu ciepła Możliwością wymiany kolektorów na innego typu Możliwością rozbudowy zarówno po stronie hydraulicznej jak i pomiarowej 2. Opis instalacji Instalacja składa się z następujących części: Zamkniętego, ciśnieniowego obiegu solarnego odbierającego ciepło z kolektorów, w części znajdującego się na zewnątrz budynku (wraz z kolektorami słonecznymi) oraz wewnątrz budynku (wraz z odbiornikami ciepła w postaci pojemnościowego podgrzewacza wody użytkowej oraz chłodnicy systemu) Zamkniętego ciśnieniowego obiegu wody użytkowej przechwytującego ciepło z obiegu solarnego (wraz z pojemnościowym podgrzewaczem wody użytkowej) Automatyki kontrolno-pomiarowej wyposażonej w zaawansowany sterownik układu, moduł rejestracji i transmisji danych z możliwością zdalnej kontroli, zespół zasilania awaryjnego. 4

5 Fotografie sytuacyjne zainstalowanej instalacji solarnej z kolektorami próżniowymi przedstawiono na rysunku 2.1. Widok stanowiska zdalnej kontroli instalacji Ogólny widok stanowiska dydaktycznego Widok sterownika układu, modułu rejestracji danych, modułu transmisji danych oraz grupy pompowej wraz z grupą bezpieczeństwa obiegu solarnego Widok miejsca i sposobu montażu kolektorów próżniowych Rys Instalacja solarna na budynku 3.2 Wydziału Inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy 5

6 3. Schemat ideowy instalacji i wykaz urządzeń Schemat technologiczny instalacji solarnej przedstawiono na rysunku 3.1. Tabela 3.1. Wykaz podstawowych urządzeń instalacji oznakowanych na schemacie Nr na schemacie Specyfikacja urządzenia Obieg solarny 1 Kolektor słoneczny, próżniowy typu PE20-58 prod. PROJPRZEM EKO 2 2 Bezpiecznik termiczny typu Ekspulser MST-01 prod. PROJPRZEM EKO 1 3 Odpowietrznik i zawór kulowy solarny typ 250 prod. CALEFFI S.p.A., Włochy 4 Pojemnościowy podgrzewacz wody użytkowej - typ biwalentny PEZ302 prod. PROJPRZEM EKO 5 / R4 Zawór trójdrogowy przełączający z napędem typ prod. Orkli, Hiszpania 6 Chłodnica układu - zrzutu nadmiarowego ciepła wymiennik ciecz / powietrze 7 / R1 Grupa pompowa obiegu solarnego kompletna typ S002 prod. ICMA S.p.A. Włochy (pompa Wilo Star ST 20/6-3, regulator przepływu 1-13L/min, zawór zwrotny, termometr tarczowy, zawory odcinające, 2x zawory spustowo napełniające, manometr 1 6bar, zawór bezpieczeństwa DN20 6 bar) 8 Ciśnieniowe naczynie przeponowe obiegu solarnego typu S25 prod. REFLEX, Polska wraz ze złączem odcinającym DN25, typu SU R3/4 prod. Reflex, Polska 9 Przepływomierz skrzydełkowy z odczytem impulsowym typu V40-06 prod. RESOL GmbH, Niemcy Obieg wody użytkowej 4 Pojemnościowy podgrzewacz wody użytkowej - typ biwalentny PEZ302 prod. PROJPRZEM EKO 10 Grupa bezpieczeństwa podgrzewacza wody w tym: - ciśnieniowe naczynie przeponowe podgrzewacza wody użytkowej typu Refie DE33 prod. REFLEX, Polska, - złącze odcinające DN25, typu SU R3/4 prod. Reflex, Polska - zawór bezpieczeństwa DN20 6bar, typ SYR dost. Husty, Polska - manometr tarczowy 1 10bar, d80, dost. Afriso Polska 11 Grzałka elektryczna podgrzewacza wody 2,0kW, 230V, prod. Galmet, 1 Polska Elementy układu kontrolno - pomiarowego 12 Sterownik układu typu DeltaSol M, prod. RESOL GmbH, Niemcy 1 13 Zasilacz awaryjny układu typu Vsine 500VA, prod. Chiny 1 14 Akumulator typu AGM 12V 38Ah, prod. Victron, Holandia 1 15 Moduł rejestracji danych typu Datalogger 2, prod. RESOL GmbH, Niemcy 1 16 Moduł transmisji danych router prod. D-Link, Chiny 1 FAP13 Czujnik temp. zewnętrznej typu FAP13 prod. RESOL GmbH, Niemcy 1 CS10 Czujnik napromieniowania typu CS10 prod. RESOL GmbH, Niemcy 1 S1 S10 Czujniki temp. typu Pt1000 prod. RESOL GmbH, Niemcy Ilość sztuk j.w. 1 6

7 Pozostałe urządzenia i materiały instalacji solarnej (nie oznaczone na schemacie) : 1) Mocowanie do elewacji dla kolektorów próżniowych typu PE20-58 PROJPRZEM EKO 2) Płyn obiegu solarnego typu ERGOLID EKO -25, prod. BORYSZEW SA, Polska 3) Rurociągi obiegu solarnego z mieszanką wodno - glikolową 4) Rurociągi z wodą użytkową 5) Otuliny izolacyjne rurociągów 6) Przewody elektryczne do podłączenia czujników i odbiorników prądu 7

8 Rys Schemat technologiczny instalacji solarnej 8

9 II. Elementy instalacji solarnej obieg solarny 4. Kolektory próżniowe W instalacji zastosowano dwa próżniowe kolektory słoneczne oparte na dwufazowej wymianie ciepła. Kolektory tego typu służą do produkcji ciepła wykorzystywanego w niskotemperaturowych układach grzewczych, jak np. wspomaganie ogrzewania wody użytkowej, centralnego ogrzewania oraz wody basenowej. W zastosowaniach przemysłowych mogą one służyć do osuszania osadów, podgrzewania wody procesowej i ścieków w oczyszczalniach ścieków. Parametry kolektorów zestawiono w tabeli 4.1. Tabela 4.1. Dane techniczne próżniowego kolektora słonecznego PE20-58 PROJPRZEM EKO Model Ilość rur próżniowych Powierzchnia czynna (apertury) * PE szt. 1,876 m² Powierzchnia zabudowy * 3,103 m² Powierzchnia całkowita absorbera 5,018 m² Powierzchnia absorpcyjna* 1,603 m² Sprawność optyczna** 0,795 Współczynniki straty ciepła** a1 a2 Ciśnienie robocze Wydajność cieplna kolektora** dla ΔT= T śr.kol. - T a = 10K oraz I = 1000 W/m 2 Średnica rur Wymiary jednego kolektora * wg PN-EN ISO 9488 ** wg PN-EN , -2 1,985 W/(m 2 K) 0,0117W/(m 2 K 2 ) 6 bar 1240 W Ø x1571x130 mm Kolektor słoneczny PE20-58 jest przeznaczony do montażu na dachach płaskich i pochyłych oraz do montażu wolnostojącego. Do głównych zalet zastosowanego kolektora można zaliczyć: - Wysokie bezpieczeństwo eksploatacji, duża trwałość dzięki zastosowaniu wysokogatunkowych, odpornych na destrukcyjne warunki atmosferyczne materiałów takich, jak szkło boro-krzemowe o wysokiej odporności mechanicznej i najwyższej transparentności, aluminium powierzchniowo zabezpieczane oraz stal nierdzewna. Elementy wewnętrzne wykonane z miedzi oraz aluminium. - Trwałe w eksploatacji rury próżniowe bez samoistnej dehermetyzacji, w których próżnia zamknięta jest połączeniami typu szkło - szkło. 9

10 - Najwyższa sprawność dzięki absorberom wykonanym z wysoko selektywnych cermetów. - Większa rzeczywista powierzchnia absorpcyjna niż wynikająca z normy PN-EN ISO Bardzo skuteczny jednoelementowy wymiennik ciepła PrimaPower, który w celu poprawy wymiany ciepła prawie całkowicie obejmuje powierzchnie kondensatorów rurek ciepła. - Prosty montaż dzięki działaniu dwuetapowemu: montaż kolektora bez rur próżniowych na zimno i na sucho oraz montaż elementów grzejnych (rur próżniowych) po pełnym wykonaniu prac hydraulicznych, prób ciśnieniowych i uruchomieniu automatyki. - Wyjątkowo niskie koszty obsługi serwisowej wynikające z prostoty montażu elementów wymiennych bez konieczności przerywania pracy instalacji na gorąco. - Spełnia wymogi normy PN-EN , -2. Głównym elementem zastosowanego próżniowego kolektora słonecznego są dwuścianowe rury próżniowe. Rura próżniowa składa się z dwóch rur szklanych łączonych ze sobą na zasadzie szkło-szkło. Zamknięta przestrzeń pomiędzy ścianami rur szklanych pozbawiona jest powietrza i innych gazów. Głębokie podciśnienie rzędu 10-5 bara bliskie jest próżni i stwarza izolujące warunki dla przepływ energii cieplnej. Zewnętrzna powierzchnia wewnętrznej rury próżniowej pokryta jest selektywną warstwą absorpcyjną umożliwiającą wytwarzanie ciepła z energii promieniowania widzialnego. Tak wytworzone ciepło, dzięki izolacyjnemu działaniu próżni otaczającej warstwę absorpcyjną, gromadzi się wewnątrz rury próżniowej. Ciepło to transportowane jest z wnętrza rury próżniowej, z pomocą aluminiowego wymiennika PrimaPower, poprzez ciepłowód (inaczej: rurkę ciepła, ang. heat pipe) do wymiennika ciepła znajdującego się w szynie zbiorczej kolektora. Wymiennik pobiera ciepło ze skraplaczy ciepłowodów i przekazuje do płynu obiegowego instalacji solarnej. W ten sposób energia cieplna wytworzona przez kolektor próżniowy transportowana jest poprzez pompę cyrkulacyjną lub ruch grawitacyjny cieczy do zbiornika wody użytkowej, bufora ciepła lub innego odbiornika. 5. Mocowanie kolektora do fasady Do montażu kolektorów do fasady budynku wykorzystano konstrukcję wsporcza wykonaną wg projekty indywidualnego. Konstrukcja wykonana została z elementów typowych: profili montażowych typu A(1,5), łączników montażowych (trójkątów) oraz elementów skrętnych produkcji Niczuk Metall. Wszystkie elementy są zabezpieczone antykorozyjnie galwaniczną powłoką cynkową. Rys Wymiary profilu montażowego typu A(1,5) zastosowanego do konstrukcji wsporczej. 10

11 Rys Wymiary trójkąta montażowego zastosowanego do konstrukcji wsporczej. Rys Diagram doboru profili obciążonych siła skupioną działająca na środku szyn montażowych do konstrukcji wsporczej. 6. Ochrona odgromowa konstrukcji wsporczej Stalową konstrukcję wsporczą, mocowaną do fasady budynku, połączono z istniejącym pionowym przewodem siatki zwodów odgromowych, w które wyposażony jest budynek. Połączenie wykonano z użyciem drutu ze stali ocynkowanej o średnicy Ø 8 mm oraz złącze krzyżowe typu drut drut. Wykonanie instalacji odgromowej jest zgodne z normą PN-EN :2008, -2:2008, -3:2009, -3:2009/A11:2009, -4:

12 7. Bezpiecznik termiczny MST-01 W instalacji zastosowano bezpiecznik termiczny Ekspulser model MST-01 produkcji firmy PROJPRZEM EKO. Bezpiecznik ten jest najnowszym rozwiązaniem na polskim rynku i unikatowym na świecie chroniącym kolektory przed najwyższymi temperaturami stagnacji. Cechą szczególną tego rozwiązania jest brak mechanicznych części ruchomych oraz brak zewnętrznego zasilania elektrycznego. Urządzenie jest autonomicznym, bezobsługowym i bezawaryjnym modułem montowanym bezpośrednio przy kolektorach. Istotną zaletą jest możliwość zastosowania nie tylko w projektowanych instalacjach, ale także w istniejących. Urządzenie rozprasza ciepło wykorzystując termodynamiczną zasadę działania rurki ciepła. Cechą szczególną konstrukcji tej rurki ciepła jest jej celowany temperaturowy punkt startu. Więcej szczegółów zestawiono w tabeli 7.1. Tabela 7.1. Bezpiecznik termiczny model Ekspulser MST-01 Model Budowa Działanie Montaż Uszczelnienie Maks. ciśnienie robocze instalacji Maks. temperatura instalacji Ekspulser MST-01 Kompozyty materiałowe o specyficznym przewodnictwie cieplnym dla eliminacji strat ciepła w typowym zakresie temperaturowym pracy kolektorów słonecznych tj.: o C. Aktywacja medium transmitującego ciepło w warunkach awaryjnych pracy kolektorów tj. temperatury powyżej około 140 o C. Uruchomienie medium transmitującego ciepło hamuje wzrost temperatury kolektorów poniżej 200 o C i zapobiega osiąganiu przez kolektor wysokich tzw. temperatur stagnacji. Układ działa w sposób płynny i utrzymuje temperaturę na poziomie bezpiecznym dla infrastruktury kolektora. złącze zaciskowe na rury miedziane Cu22 wg PN- EN 1057 Typu metal metal, poprzez pierścień zaciskowy 10 bar 250 C Wymiary [mm] 430 x 35 x 73 12

13 Rys Schemat podłączenia bezpiecznika termicznego zastosowany na stanowisku Moc chłodnicza bezpiecznika wynosi ok. 300W. Producent urządzenia przewiduje stosowanie jednego bezpiecznika na 3,0 do 4,0m2 powierzchni czynnej kolektora. Rys. 7.2 Zależność mocy w funkcji temperatury stagnacji dla różnych mocy kolektorów przypadających na jeden bezpiecznik termiczny Ekspulser model MST-01 Koszt inwestycyjny zastosowania jednego bezpiecznika termicznego wynosi około 3% w kosztach budowy typowej instalacji solarnej dla domu jednorodzinnego. Dla średnich i dużych instalacji szacowany koszt nie przekracza 4% całej inwestycji. 13

14 8. Odpowietrznik solarny i zawór kulowy Rys Automatyczny odpowietrznik solarny i zawór kulowy Odpowietrznik automatyczny służy do odpowietrzania układu solarnego w czasie napełniania i uruchamiania instalacji. Przystosowany jest do usuwania nawet dużych ilości powietrza, jakie gromadzą się w rurociągach w fazie napełniania instalacji. Zaprojektowany został do pracy w układach z wysoką temperaturą i medium zawierającym glikole. Wybrane dane techniczne: Maksymalne dopuszczalne stężenie glikolu w mieszaninie wodno glikolowej -do 50% Zakres temperatury pracy: odpowietrznik: C zawór: C 14

15 15

16 9. Pojemnościowy podgrzewacz wody użytkowej Podstawowym odbiornikiem ciepła solarnego jest pojemnościowy podgrzewacz wody użytkowej. Wykonanie podgrzewacza: - zbiornik i wymienniki - stal węglowa powierzchnie wewnętrzne podwójnie emaliowane - izolacja 50mm poliuretan twardy. Parametry zastosowanego podgrzewacza wody użytkowej typ biwalentny PEZ302 przedstawiono w tabeli 9.1. Tabela 9.1. Parametry pojemnościowego podgrzewacza wody użytkowej firmy PROJPRZEM EKO typ biwalentny PEZ302 Model PEZ302 Pojemność nominalna 300 dm 3 Pojemność efektywna 296 dm 3 Powierzchnia grzewcza wymiennika górnego Moc nominalna wymiennik górny (t KW =10 C, t WW =45 C, t HV =80 C) Kubatura objęta górnym wymiennikiem Powierzchnia grzewcza wymiennika dolnego Moc nominalna wymiennik górny (t KW =10 C, t WW =45 C, t HV =80 C) Dopuszczalne ciśnienie pracy: - obieg wody grzewczej - obieg solarny - woda użytkowa Dopuszczalna temperatura pracy: - obieg wody grzewczej - obieg solarny - woda użytkowa 1,33 m² 40 kw 128 dm 3 1,82 m² 57 kw 16 bar 16 bar 10 bar 140 C 140 C 95 C Podłączenie grzałki elektrycznej Rp 1½ 16

17 Rys Rysunek zastosowanego pojemnościowego podgrzewacza wody użytkowej firmy PROJPRZEM EKO typ biwalentny PEZ302 17

18 10. Zawór trójdrogowy przełączający z napędem Do przełączania obiegu solarnego pomiędzy odbiornikiem ciepła a chłodnicą układu służy zawór trójdrogowy z siłownikiem hiszpańskiej firmy Orkli przeznaczony od obiegów solarnych. Jest to zawór przełączający, tzw. 100% - w automatycznym trybie pracy nie istnieje możliwość proporcjonalnego mieszania obiegów. Zawór wyposażony jest w napęd elektryczny. Rys Zawór trójdrogowy przełączający Wybrane dane techniczne: Zasilanie siłownika: ~ 230 V Średnica nominalna: DN25 Temperatura cieczy obiegowej: -20 C 150 C Uruchamianie urządzenia i działanie: W trakcie prac serwisowych napełnianie, odpowietrzanie i opróżnianie instalacji, przełącznik pracy powinien być ustawiony w pozycji MAN. Po wykonaniu prac serwisowych przełącznik pracy należy ustawić w pozycji AUTO. 11. Hydrauliczny system zabezpieczenia instalacji przed przegrzaniem Nawet zaawansowana automatyka, wyposażona w funkcje ochrony instalacji przed przegrzaniem, która obsługuje niniejszą instalację nie ochroni jej przed długotrwałym brakiem odbioru ciepła z kolektorów. Skutecznym sposobem rozpraszania ciepła jest stosowanie chłodnic o mocy chłodzącej zbliżonej do mocy grzewczej pola kolektorów. Chłodnice, w zależności od rozwiązania technologicznego układu solarnego, mogą stanowić odbiorniki o dużej pojemności cieplnej (np. baseny), chłodnice wentylatorowe, a także całe lub wydzielone części obiegów grzewczych. Jako chłodnice dla układów solarnych można także stosować gruntowe dolne źródła pomp ciepła. Jest to przykład synergicznej pracy dwóch źródeł ciepła z dziedziny OZE. Nadmiarowe ciepło solarne daje możliwość 18

19 regenerowania w pewnym stopniu dolnego źródła i jednocześnie podwyższa sprawność pompy ciepła. Idealnym, choć kosztownym, odbiornikiem nadmiarowego ciepła jest gruntowy magazyn ciepła. Chłodnice rozpraszające nadmiarowe ciepło stanowią ostatni w hierarchii priorytetów odbiornik solarny. Sposób kierowania ciepła do nich musi być bezwzględnie realizowany w trybie automatycznym. Koszt inwestycyjny budowy hydraulicznej pętli awaryjnego rozpraszania ciepła nadmiarowego wynosi, w zależności od zastosowanego rozwiązania i wielkości instalacji około 6-10% całego przedsięwzięcia inwestycyjnego - budowy instalacji solarnej, poza budową gruntowego magazynu ciepła. W zrealizowanej instalacji dydaktycznej zastosowano wymiennik zrzutu ciepła o mocy chłodzącej zbliżonej do mocy grzewczej pola kolektorów. Fragment schematu z zaznaczonym wymiennikiem zrzutu ciepła przedstawiono na rysunku Rys Fragment schematu instalacji solarnej z zaznaczonym wymiennikiem zrzutu ciepła 19

20 12. Stacja pompowa obiegu solarnego Schemat zastosowanego zespołu pompowego przedstawiono na rysunku Składa się on z następujących elementów: 1. Zawór bezpieczeństwa solarny G½ ¾, 6bar 2. Manometr z wyjściem do naczynia bezpieczeństwa 3. Zawory napełniania, przepłukiwania i spustu 4. Zawór zwrotno odcinający z wbudowanym termometrem 5. Pompa cyrkulacyjna Wilo Solar ST20/6 6. Regulator przepływu z zaworem odcinającym (skala 1-13 dm 3 /min) 9. Obudowa izolacyjna część tylna 10. Końcówki ¾ dla węża elastycznego 11. Obudowa izolacyjna część przednia 12. Przesuwna osłona regulatora przepływu 14. Kanał kablowy Rys Schemat stacji pompowej ICMA S002 20

21 Rys Fotografia stacji pompowej ICMA S002 Dane techniczne pompy obiegu solarnego Wilo Solar ST20/6: Rozstaw montażowy 130mm Zasilanie 230V 50Hz Temperatura pracy -10 C do 110 C Temperatura max 140 C do 2 godzin Maksymalne ciśnienie pracy 10 bar Stopień ochrony IP44 Przyłącza typu Molex 13. Ciśnieniowe naczynie przeponowe obiegu solarnego Do ciśnieniowej ochrony zamkniętego obiegu solarnego zastosowano membranowe naczynie wzbiorcze typu S25 produkcji Reflex Polska. Naczynie przeznaczone jest do współpracy z cieczami o zawartości środka przeciw zamarzaniu o stężeniu do 50%. Zadaniem naczynia jest kompensowanie zmian wewnętrznego ciśnienia zamkniętego obiegu solarnego do granicy 6 bar, czyli do momentu zadziałania zaworu bezpieczeństwa. Naczynie spełnia Dyrektywę 97/23/WE. Naczynie przedstawiono w tabeli Naczynie połączone jest z kompensowanym zamkniętym obiegiem solarnym przy użyciu atestowanego złącza samoodcinającego typu SU R ¾. Złącze wyposażone jest w zawór zwrotny po stronie obiegu kompensowanego ciśnieniowo dla umożliwienia odłączenia naczynia w trybie serwisowym bez potrzeby spuszczania płynu obiegowego. Ponad to 21

22 posiada króciec z zaworem pozwalającym opróżniać naczynie oraz półśrubunek dla szybkiego demontażu (zgodne PN-EN 12828). Naczynie połączone jest z kompensowanym zamkniętym obiegiem solarnym nie izolowanym i bezprzepływowym odcinkiem przewodu stalowego o długości około 0,5m. Brak izolacji na tym odcinku stanowi obszar schłodzenia i zabezpiecza naczynie przed potencjalnie wysoką temperaturą czynnika obiegowego układu solarnego. Najwyższe przewidywane temperatury czynnika solarnego w miejscu podłączenia odejścia do naczynia nie powinny przekraczać 100 C, gdyż automatyka sterująca blokuje pracę pompy obiegowej, gdy temperatura na kolektorach osiąga 130 C, a ponad to miejsce przyłączenia odejścia znajduje się za odbiornikiem ciepła na powrocie obiegu. Brak izolacji na odejściu gwarantuje schłodzenie w miejscu podłączenia naczynia do temperatury około 70 C, czyli dopuszczalnej dla membrany. Rozwiązanie to pozwala na niestosowanie dodatkowych naczyń schładzających na odejściu do naczynia wzbiorczego. Tabela Parametry ciśnieniowego naczynia wzbiorczego solarnego typ S25 produkcji Reflex Polska Model S25 Pojemność nominalna 25 dm 3 Średnica zewnętrzna Wysokość całkowita 280 mm 490 mm Przyłącze gwintowane G ¾ Masa naczynia pustego Dopuszczalna zawartość czynnika przeciw zamarzaniu Maksymalna dopuszczalna temp. czynnika Typ membrany Ciśnienie nominalne Ciśnienie wstępne 5,5 kg 50 % 70 C niewymienna 10 bar 1,5 bar 22

23 14. Przepływomierz obiegu solarnego Do pomiaru przepływu cieczy obiegowej obiegu solarnego zastosowano mechaniczny, skrzydełkowy przepływomierz z impulsowym odczytem typu V40-06 DN20 prod. Resol GmbH, Niemcy. Przepływomierz przystosowany jest do współpracy z wodnymi roztworami glikoli oraz sterownikami produkcji Resol GmbH. Rys Zastosowany przepływomierz RESOL V40-6 Tabela Dane techniczne przepływomierza RESOL V40-6 Typ przepływomierza V40-06 Częstotliwość impulsu dm 3 /imp 1 Średnica nominalna DN 20 Przyłącza licznika 1 Przyłącza rurociągu ¾ Max ciśnienie pracy P max bar 16 Max temp. pracy T max C 120 Przepływ nominalny Q n m 3 /h 0.6 Przepływ max Q max m 3 /h 1.2 Minimalny przepływ w poziomie Q min dm 3 /h 12 Minimalny przepływ w pionie Q min dm 3 /h 21 23

24 15. Rurociąg obiegu solarnego Do budowy rurociągu solarnego wykorzystano rury oraz kształtki zaciskowe wykonane ze stali węglowych z typoszeregu Mapress C-Stahl produkcji Gebert. Rury systemowe są precyzyjnymi rurami cienkościennymi ze szwem. Rury i kształtki zaciskowe są cynkowane zewnętrznie. Kształtki zaciskowe wyposażone są w uszczelnienia wykonane z kauczuku fluoroetylenowo-propylenowego FPM w kolorze zielonym lub niebieskim. Obieg solarny wykonano o średnicy DN15. Wybrane dane techniczne: Materiał rur i złączek: stal niestopowa E195 (wg EN 10305) (AISI 1009) Grubość warstwy cynkowej: 8 μm Współczynnik wydłużenia cieplnego: 0,012 mm/m K Współczynnik przewodzenia ciepła: 60,0 W/m K Chropowatość: 0,01 mm Odporność uszczelnienia FPM: -30 C +200 C (krótkotrwale +230 C) Odporność na glikole: tak Maksymalne ciśnienie pracy: 16 bar 16. Otulina izolacyjna oraz osłona rurociągów solarnych Do cieplnego izolowania rurociągów obiegu solarnego wykorzystano otuliny wykonane z syntetycznego kauczuku o zamkniętej strukturze komórkowej typu HT/Armaflex produkcji Armacell. Zastosowana grubość ścianki wynosi 20mm dla rurociągu o średnicy DN15. Otulina przeznaczona jest m.in. do cieplnej izolacji rurociągów solarnych. Rys Otulina HT/Armaflex dla rurociągów solarnych. 24

25 Wybrane dane techniczne: Materiał: ekstrudowana pianka elastomerowa Zakres temperatur: -50 C +150 C (+175 C) Przewodność cieplna: 0,040 W/m K w temp. 0 C 0,045 W/m K w temp. 40 C Współczynnik oporu dyfuzji pary wodnej Odcinki rurociągów znajdujące się na zewnątrz budynku zostały dodatkowo zabezpieczone osłonami stalowymi typu Okabell produkcji Armacell. Osłona ta zabezpiecza otulinę izolacyjną przed zniszczeniem przez promieniowanie UV oraz przez ptaki. Osłona wykonana jest blachy stalowej o grubości 0,4mm, cynkowanej ogniowo i lakierowanej. Osłony wykonane są seryjnie z falcem wzdłużnym oraz falcem na końcach dla wykonania połączenia kolejnych elementów na tzw. zakładkę. Rys Osłona stalowa typu Okabell dla rurociągów prowadzonych na zewnątrz budynku wygląd kolana segmentowego. 17. Płyn obiegu solarnego Medium obiegowe zamkniętego układu solarnego stanowi mieszanina wody i glikolu propylenowego, stanowiącego czynnik ochrony rurociągu przeciw zamarzaniu. W praktyce zastosowano gotowy płyn Ergolid Eko firmy Boryszew S.A. przeznaczony do napełniania instalacji chłodniczych, klimatyzacyjnych i solarnych. Jest to gotowy do zastosowania wodny roztwór glikolu propylenowego z dodatkami stabilizującymi i inhibitorami korozji. Wybrane dane techniczne: Składnik główny: glikol monopropylenowy Stężenie glikolu: 50% ph: 7,5 9,0 25

26 Lepkość kinematyczna [cm²/s]: dla -10 C 34,80 dla 10 C 12,49 dla 20 C 6,21 dla 50 C 2,14 Gęstość wg norm (20 C): 1,041 Temp. krystalizacji / zestalania: -35 C / -45 C Temp. wrzenia: 106 C Ciepło właściwe (war. standard): 3,58 kj / kg K 26

27 III. Elementy instalacji solarnej obieg wody użytkowej Podstawowym elementem obiegu wody użytkowej jest pojemnościowy podgrzewacz wody. Urządzenie to zostało opisane w rozdziale Ciśnieniowe naczynie przeponowe wody użytkowej Do ciśnieniowej ochrony zamkniętego obiegu wody użytkowej, w tym pojemnościowego podgrzewacza o pojemności 300dm 3, zastosowano membranowe naczynie wzbiorcze typu Refix DE33 produkcji Reflex Polska. Naczynie przeznaczone jest do współpracy z wodą użytkową. Zadaniem naczynia jest kompensowanie zmian wewnętrznego ciśnienia obiegu wody użytkowej, w szczególności pojemnościowego podgrzewacza, do granicy 6 bar, czyli do momentu zadziałania zaworu bezpieczeństwa. Naczynie spełnia Dyrektywę 97/23/WE oraz posiada atest PZH dopuszczający do stosowania w obiegach wody użytkowej. Części mające kontakt z wodą użytkową zabezpieczone są przed korozją. Naczynie przedstawiono w tabeli Naczynie połączone jest z kompensowanym zamkniętym rurociągiem wody użytkowej przy użyciu atestowanego złącza samoodcinającego typu SU R ¾. Złącze wyposażone jest w zawór zwrotny po stronie obiegu kompensowanego ciśnieniowo dla umożliwienia odłączenia naczynia w trybie serwisowym bez potrzeby spuszczania płynu obiegowego. Ponad to posiada króciec z zaworem pozwalającym opróżniać naczynie oraz półśrubunek dla szybkiego demontażu (zgodne PN-EN 12828). Tabela Parametry ciśnieniowego naczynia wzbiorczego wody użytkowej typ DE33 produkcji Reflex Polska Model DE33 - wiszący Pojemność nominalna 33 dm 3 Średnica zewnętrzna Wysokość całkowita 354 mm 455 mm Przyłącze gwintowane G ¾ Masa naczynia pustego Maksymalna dopuszczalna temp. czynnika Typ membrany Ciśnienie nominalne 6,3 kg 70 C niewymienna 10 bar Ciśnienie wstępne 4,0 bar 27

28 19. Rurociąg obiegu wody użytkowej Do budowy rurociągu obiegu wody użytkowej wykorzystano rury oraz kształtki wykonane z polipropylenu jednorodnego typu PP-R produkcji Vesbo Poland. Połączenia rura kształtka wykonane są techniką zgrzewania. Pozostałe połączenia z urządzeniami rurociągu wykonane są techniką połączenia gwintowanego z zastosowaniem kształtek systemowych z wtopionym elementem gwintowanym. Wybrane dane techniczne: Materiał rur i złączek: polipropylen typ 3 (PP-R) Średnica zew. rury x grubość ścianki: 20 x 3,4 mm Ciśnienie nominalne: PN 20 Dopuszczalna temperatura trwała: 80 C Dopuszczalna temperatura krótkotrwała: 95 C (do 100min) Dopuszczalne ciśnienie: 10bar - przy 60 C, 6bar przy 80 C Współczynnik wydłużenia cieplnego: 0,18 mm/m K Współczynnik przewodzenia ciepła: 0,21 W/m K 28

29 IV. Elementy instalacji solarnej automatyka sterująca 20. System zasilania awaryjnego automatyki Podstawowym wymaganiem dla prawidłowej pracy instalacji solarnej jest stałe, nieprzerwane zasilanie automatyki. Brak zasilania prowadzi do unieruchomienia pomp obiegowych układu solarnego, a w konsekwencji do ryzyka powstawania przegrzewu źródła ciepła jakim jest kolektor. Brak odbioru ciepła doprowadza do osiągania przez kolektor najwyższych w danych warunkach temperatur tzw. stanów stagnacji. Wymagany czas podtrzymania nie powinien być krótszy niż około 4 godziny, najlepiej zbliżony do 8 godzin. Jako zasilacze awaryjne stosuje się odpowiednio dobrane UPS-y, agregaty prądotwórcze lub panele fotowoltaiczne (PV). W przypadku stosowania paneli PV należy mieć na uwadze, że z uwagi na ich relatywnie niską sprawność w sytuacji słabej insolacji (poniżej 300W/m2 - okres pochmurny) brak będzie zasilania elektrycznego. A jest to okres, gdy kolektory fototermiczne, w szczególności próżniowe, wymagają zasilania, bo generują ciepło. Koszt inwestycyjny awaryjnego zasilania automatyki wynosi, w zależności od zastosowanego rozwiązania i wielkości instalacji od około 5% do 8% całego przedsięwzięcia inwestycyjnego - budowy instalacji solarnej. W omawianej instalacji zastosowano UPS typu VSine o mocy 500VA i charakterystyce pełnego sinusa, współpracujący z akumulatorem głębokiego rozładowania typu AGM 12V 38Ah. Czas podtrzymania zasilania, przy występującym obciążeniu odbiorników, wynosi około 8 godzin. 21. Sterownik układu Resol DeltaSol M Do obsługi instalacji solarnej wykorzystano specjalizowany sterownik solarny typu DelatSol M, produkcji Resol GmbH, Niemcy. Cechy sterownika: Wyświetlacz tekstowy z nawigacją w obszarze menu 12 wejść dla czujników temperatury, 1 dla czujnika napromieniowania, 2 dla przepływomierzy impulsowych dla zintegrowanych liczników ciepła 9 wyjść do obsługi odbiorników prądu (pompy, zawory itp.) Obsługuje 7 podstawowych schematów technologicznych z różnymi wariantami pomp i zaworów wszystkie wstępnie zaprogramowane fabrycznie Nadto wyposażony w szereg opcjonalnych funkcji takich, jak: schładzanie kolektorów, schładzanie systemu, powrotne schładzanie zasobników, dezynfekcja termiczna i wiele innych niezbędnych funkcji Możliwość wolnego programowania wyjść z użyciem funkcji ΔT, 2 funkcji termostatycznych i funkcji czasu Obsługuje do dwóch mieszanych obiegów c.o. w trybie kompensacji pogodowej z krzywymi grzania (w zależności od wykorzystanego schematu solarnego) Złącze komunikacji Resol VBus i RS232 Zdalna kontrola i parametryzacja ustawień sterownika poprzez Resol VBus Funkcja zrzutu ciepła nadmiarowego Wolno programowalna funkcja różnicy temp. 29

30 Funkcja termostatu (kontrolowana w funkcji czasu) Tryb obsługi pomp wysokowydajnych i wiele innych niezbędnych funkcji Rys Sterownik Resol DeltaSol M Dane techniczne: Wejścia: 15 czujników typu Pt1000, RTA11-M, V40 i CS10 Wyjścia: 9 przekaźników: 4 półprzewodnikowe, 4 elektromagnetyczne, 1 z wolnym potencjałem Obciążalność: 1(1)A 240V~ (przekaźniki półprzewodnikowe) 4(1)A 240V~ (przekaźniki elektromechaniczne i z wolnym potencjałem) Całkowita obciążalność: 6,3A 240V~ Zasilanie: 240V~ (50 60Hz) Tryb pracy: typu 1.C Napięcie znamionowe impulsu: 2,5kV Protokół danych: Resol VBus, RS232 Obudowa: plastik, PC-ABS i PMMA Możliwy montaż: naścienny, w szafach rozdzielczych Wyświetlacz: tekstowy,4 wierszowy LC, podświetlany, z nawigacją w menu, 4 języki dostępne Kontrolka pracy: dwu kolorowy LED Obsługa: z użyciem 3 przycisków Stopień ochrony: IP20 / DIN Temperatura pracy: 0 40 C 30

31 Stopień zanieczyszczenia: 2 Wymiary: 260 x 216 x 64 mm Wybrane funkcje: sterownik solarny dla max 3 odbiorników ciepła, rozbudowane funkcje ΔT, kontrola prędkości pomp, licznik ciepła, licznik roboczogodzin przekaźników, funkcja termostatu, funkcja testowania temp. dla kolektorów z przepływem bezpośrednim, funkcja ładowania warstwowego, rozbudowana funkcja priorytetów zasilania odbiorników, funkcja zrzutu ciepła nadmiarowego, funkcja dezynfekcji i szereg innych funkcji. W tabeli 21.1 przedstawiono interpretację mierzonych wartości dla przyjętego i realizowanego sposobu zaprogramowania sterownika. Architektura sterownika pozwala na zaprogramowanie urządzenia w dwóch zasadniczych krokach. Przyjęciu jednego z 19 podstawowych schematów technologicznych, który to wybór przypisuje wyjścia sterownika do określonych odbiorników prądu oraz wejścia sygnałów z czujników do określonych zacisków. Przyjęcie każdego ze schematów powoduje, że sterownik jest wstępnie odpowiednio zaprogramowany dla przewidzianych schematem funkcji. Oraz w kroku drugim, zaprogramowania w sposób dowolny pozostałych wolnych wyjść (przekaźników) z użyciem wolnych lub istniejących wejść (czujniki) z użyciem funkcji różnicy temperatury, termostatu i zegara. Sterownik pozwala także na sterowanie jednego lub, przy użyciu modułu rozszerzającego, do dwóch obiegów niskotemperaturowego centralnego ogrzewania z użyciem mieszaczy w funkcji temperatury zasilania obiegu odniesionej do temperatury zewnętrznej. Za pomocą wyjścia V-Bus sterownik pozwala na połączenie z systemowymi urządzeniami peryferyjnymi, jak np. bank pamięci Datalogger, lampa sygnalizacji stanów awaryjnych, komputer itp. 31

32 Tabela Interpretacja mierzonych wartości sterownika Resol DeltaSol M VBus 0: DeltaSol M [Regler] - sterownik Temperature sensor 1 - Temperatura kolektora 32.6 C Temperature sensor 2 - Temperatura w podgrzewaczu cwu - dolna strefa 30.9 C Temperature sensor 3 - wolny C Temperature sensor 4 - wolny C Temperature sensor 5 - wolny C Temperature sensor 6 - Temperatura zasilania przed odbiornikiem 34.5 C Temperature sensor 7 - Temperatura powrotu za odbiornikiem 26.2 C Temperature sensor 8 Temperatura powietrza zewnętrznego = FAP C Temperature sensor 9 - Temperatura powrotu przed kolektorem 28,9 C Temperature sensor 10 - Temperatura zasilania za kolektorem 38.3 C Temperature sensor 11 - wolny C Temperature sensor 12 - wolny C Irradiation - Natężenie promieniowania słonecznego 40 W/m² Impulse input Impulse input 2 0 Sensor line break mask 3100 Sensor short-circuit mask 0 Sensor usage mask 771 Pump speed relay 1 - Praca pompy solarnej wydajność chwilowa 0% Pump speed relay 2 0% Pump speed relay 3 0% Pump speed relay 4 Zawór 3-dr : 0% - podgrzewacz cwu, 100% - chłodnica 0% Pump speed relay 5 off Pump speed relay 6 off Pump speed relay 7 off Pump speed relay 8 off Pump speed relay 9 off Relay usage mask 9 Error mask 0 Warning mask 0 Controller version 6401 System time 09:11 VBus 0: DeltaSol M [WMZ1] licznik ciepła Flow temperature - Temperatura zasilania kolektora = S C Return temperature -Temperatura powrotu do kolektora = S C Flow rate - Natężenie przepływu glikolu 0 l/h Heat - Energia ciepła dostarczona do glikolu przez kolektor 487 Wh 32

33 22. Zabezpieczenie instalacji przed przegrzaniem z wykorzystaniem sterownika Zaawansowana automatyka sterująca układem solarnym wyposażona jest w szereg algorytmów chroniących kolektory przed przegrzewem. Są to funkcje zarówno schładzania kolektorów, jak i powrotnego schładzania odbiorników ciepła. Z reguły są to funkcje opcjonalne, wymagające aktywacji i działające automatycznie. Funkcja schładzania kolektorów uruchamiana jest gdy odbiornik lub odbiorniki ciepła solarnego osiągną zadaną temperaturę maksymalną (np. 60 C), a w kolektorach rejestrowany jest dalszy przyrost temperatury ponad 110 C. Wtedy krótkotrwale, w trybie pełnej wydajności, uruchamiana jest pompa obiegu solarnego dla podania do kolektorów chłodniejszej cieczy z przewodu powrotnego. Ciecz ogrzana z kolektorów przesuwana jest do przewodu zasilającego, gdzie w pewnym stopniu wytraca ciepło poprzez izolację. Skokowo uruchamiana pompa, przy cały czas wzrastającej temperaturze w kolektorach, przesuwa nagrzany czynnik do odbiornika ciepła solarnego, gdzie następuje oddanie ciepła i stopniowe jego nagrzewanie ponad zadaną temperaturę maksymalną. Proces schładzania kolektorów przebiega do zaniku przyrostu temperatury w kolektorach (np. przed zmierzchem) lub do osiągnięcia maksymalnej nieprzekraczalnej dla odbiornika temperatury. Przyjmuje się, że dla zamkniętych pojemnościowych podgrzewaczy wody graniczną temperaturą jest 95 C. Funkcja powrotnego schładzania odbiornika uruchamiana jest gdy nie następuje przyrost temperatury na kolektorach. Pompa obiegu solarnego pracuje dopóki temperatura w pojemnościowym podgrzewaczu nie spadnie poniżej zadanej temperatury maksymalnej odbiornika (w tym przykładzie 60 C). Ciepło rozpraszane jest na przewodach i w kolektorach. Funkcje powyższe, z racji sposobu działania, mogą skutecznie ochronić kolektory i instalację przed stagnacją w relatywnie krótkim, kilkudniowym okresie czasu szczególnie silnych insolacji. Koszt inwestycyjny zastosowania zaawansowanej automatyki jest zaledwie o około 50% wyższy od automatyki standardowej. W koszcie całego przedsięwzięcia inwestycyjnego (budowy instalacji solarnej) stanowi to przyrost zaledwie o około 1,5% w małych instalacjach dla domów jednorodzinnych oraz poniżej 1% w średnich i dużych instalacjach. 33

34 23. Elementy kontrolno pomiarowe sterownika 23.1 Miernik irradiacji Resol CS10 Solar cell Rys Miernik irradiacji CS10 Solar cell firmy Resol Miernik CS10 służy do pomiaru natężenia napromieniowania. Miernik wykorzystuje pomiar prądu zwarcia, który rośnie wraz ze wzrostem natężenia napromieniowania. Typ czujnika Klasa Prąd zwarcia [μa] A 1 1,72 B 2 1,80 C 3 1,87 D 4 1,95 E 5 2,03 F 6 2,10 G 7 2,18 H 8 2,26 I 9 2,34 K 10 2,41 Prąd zwarcia odniesiony do napromieniowania wyrażonego w [W/m 2 ]. Przykład: czujnik typu E przy napromieniowaniu 450 W/m 2, prąd zwarcia wynosi: 450 x 2,03 μa = 913,5 μa = 0,9135 ma Rys Graficzne przedstawienie zależności prądu zwarcia od napromieniowania i typu czujnika. 34