Jerzy Chodura. Instalacje słoneczne. Dobór, montaż i nowe konstrukcje kolektorów

Transkrypt

1 seria

2 Jerzy Chodura Instalacje słoneczne Dobór, montaż i nowe konstrukcje kolektorów Warszawa, 2011

3 SPIS TREŚCI 1. Konstrukcje i materiały kolektorów słonecznych Wymagania jakościowe, badania i certyfikaty Prawidłowy montaż kolektorów Duże instalacje solarne Duże instalacje analiza realizacji Magazynowanie energii w dużych instalacjach solarnych Nowe rozwiązania techniczne kolektorów Innowacyjne metody magazynowania i wykorzystywania energii słonecznej REDAKCJA Waldemar Joniec Agnieszka Orysiak SKŁAD I ŁAMANIE Agencja Reklamowa MEDIUM Fot. na okładce: archiwum Hartmann Wszelkie prawa zastrzeżone Copyright by Dom Wydawniczy MEDIUM Copyright by Jerzy Chodura ISSN WYDAWCA I ROZPOWSZECHNIANIE Dom Wydawniczy MEDIUM Warszawa, ul. Karczewska 18 tel

4 OD REDAKCJI Publikacja przeznaczona jest dla inwestorów, projektantów oraz instalatorów montujących instalacje słoneczne. Zawiera wskazówki, od czego inwestor powinien rozpocząć inwestycję, jak unikać pułapek czyhających na projektantów podczas projektowania instalacji i doboru jej elementów oraz jak ustrzec się błędów w trakcie montażu. Książka powstała na podstawie cyklu artykułów autorstwa dr. inż. Jerzego Chodury (Sun Engineering) publikowanych w miesięczniku Rynek Instalacyjny. Praktyczne wytyczne pochodzące z tych artykułów zebrane w jedną całość stanowią nową jakość. Jest to też lektura godna uwagi w kontekście zbliżającego się terminu wprowadzenia systemu potwierdzania kwalifikacji instalatorów m.in. systemów ciepła słonecznego i systemów fotowoltaicznych zgodnie z wymaganiami dyrektywy 2009/28/WE o odnawialnych źródłach energii (tzw. dyrektywy OZE). Szczególnie dużo miejsca poświęcono projektowaniu, doborowi i wykonawstwu dużych instalacji solarnych, wymagających wiedzy znacznie wykraczającej poza tę, która wystarcza do poprawnego wykonania domowych instalacji. Wiele dużych instalacji solarnych do przygotowania ciepłej wody użytkowej powstałych w naszym kraju nie osiąga optymalnych parametrów z różnych przyczyn. Porady adresowane są też do inwestorów korzystających z dofinansowania inwestycji solarnych. Nie zawierają wskazówek, jak pozyskiwać te środki, ale na co zwracać uwagę, by jak najlepiej je spożytkować i uzyskać maksymalne korzyści w formie długiej i sprawnej eksploatacji systemu. Książka zawiera ponadto przykłady innowacyjnych rozwiązań konstrukcji kolektorów, instalacji oraz akumulacji ciepła. Instalacje solarne, w których energia zostanie odpowiednio zmagazynowana, mogą zaspokajać zapotrzebowanie na c.w.u. i wspomagać ogrzewanie przez cały rok kalendarzowy, również w okresie grzewczym. Są one coraz bardziej popularne, zwłaszcza w Niemczech. Na rynku pojawiły się już rozwiązania technologiczne, które umożliwiają zastosowanie energii słonecznej do nowych celów. Wykorzystywana może być ona w instalacji jako medium grzewcze i do wytwarzania energii elektrycznej, a także do zasilania klimatyzacji. W ostatnich latach powstało wiele indywidualnych rozwiązań z możliwością naprzemiennego lub jednoczesnego wykorzystania energii słonecznej do zasilania odbiorników energii. W książce podano też przykłady rozwiązań technicznych dużych zasobników akumulacyjnych, zarówno w postaci zbiorników, jak i przy wykorzystaniu naturalnych warunków geologicznych istniejących na danym terenie.

5 1. KONSTRUKCJE I MATERIAŁY KOLEKTORÓW SŁONECZNYCH Potencjalni użytkownicy instalacji solarnych muszą zdecydować, jakie kolektory słoneczne kupić oraz jak dobrać urządzenia wchodzące w skład zestawu, by uzyskać możliwie szybki zwrot kosztów. Niektóre kryteria należy koniecznie uwzględnić, jak np. uzysk energetyczny czy łatwość montażu, z kolei inne przesłanki nie powinny być już dla klientów decydujące. Przy wyborze kolektorów nie należy się ograniczać do jednego wybranego kryterium, np. ceny, gdyż istotnych może być w poszczególnych przypadkach wiele innych czynników. Im więcej uzyska się szczegółowych i potwierdzonych dokumentami informacji, tym wybór staje się łatwiejszy. Do najważniejszych kryteriów doboru należą: wiarygodność dokumentacji technicznej kolektora, jego uzysk energetyczny poświadczony przez renomowaną instytucję badawczą poprzez nadanie znaku jakości, np. Solar Keymark, cena odniesiona do wydajności, jakość elementów kolektora, możliwość integracji urządzeń z istniejącą substancją budowlaną oraz łatwość montażu. Uzysk energetyczny kolektora słonecznego jest jednym z argumentów decydujących o zakupie. Należy jednak pamiętać, że roczne uzyski energetyczne kolektora oraz ich rozkład na przestrzeni roku kalendarzowego nie mogą być analizowane bez uwzględnienia całego systemu solarnego. Aby porównać działanie różnych urządzeń, niezbędne jest zastosowanie identycznych komponentów instalacji solarnej i wartości rozbioru ciepła, trzeba też użyć tego samego programu obliczeniowego. Dostawcy starają się pozyskać klientów, prezentując wysoką sprawność oferowanych urządzeń, nie precyzując jednocześnie, o jaką sprawność chodzi. Dlatego stosowanie współczynnika konwersji, czyli sprawności optycznej kolektora, jako jedynego kryterium wyboru jest nieporozumieniem. Należy jednocześnie podkreślić, że przeprowadzenie szczegółowych badań kolektora słonecznego przez odpowiednią instytucję jest oceną jedynie egzemplarza dostarczonego do badań, co oznacza, że produkt oferowany klientom może czasem różnić się od badanego. Dlatego tylko rzetelna polityka producentów zmierzająca do uzyskania powtarzalności produkcji kolektorów słonecznych stanowi rękojmię ich jakości. Zdecydowana większość producentów kolektorów dostarcza urządzenia odpowiedniej jakości. Urządzenia takie charakteryzuje m.in. [1]: obudowa zamknięta, chroniąca urządzenie przed przedostaniem się do jego wnętrza zanieczyszczeń i wilgoci, konstrukcja zapewniająca wentylację, tj. możliwość ekspansji cieplnej powietrza w urządzeniu (umożliwiającej wyrównanie ciśnień we wnętrzu kolektora i na zewnątrz), co w dużym stopniu zapobiega zaparowywaniu urządzenia, absorber wysokiej jakości połączony z rurkami przepływowymi w sposób pozwalający na kompensację wydłużeń (uniemożliwione jest oddzielenie się rurek od absorbera), szyba przykrywająca kolektor płaski oraz rury próżniowe ze szkła solarnego, które w momencie rozbicia rozpada się na wiele fragmentów, niestanowiących zagrożenia dla użytkownika, izolacja cieplna zgodna z normami i nieemitująca chlorowców podczas procesu wygrzewania. Cena Powszechne przekonanie, że kolektor tańszy jest gorszy od droższego, jest pewnym uproszczeniem. Aby porównać kolektory pod tym względem, kierować się można cenami jednostkowymi (powierzchni czynnej kolektora lub uzysku energetycznego), ale nie należy zapominać o cenie konstrukcji mocującej urządzenie, która może odgrywać niebagatelną rolę. Zawsze warto się zastanowić, czy tani kolektor z zestawem montażowym gwarantuje spełnienie wszystkich wymagań określonych przepisami, czy też został może zbudowany po to, by swoją atrakcyjną ceną przyciągnąć klientów. Do elementów kolektora płaskiego w największym stopniu decydujących o jego cenie należą: blacha miedziana lub aluminiowa z naniesioną powłoką selektywną, czarnym chromem lub inną powłoką, 4

6 sposób łączenia blachy z rurkami przepływowymi (lutowanie, łączenie za pomocą ultradźwięków czy lasera), szyba hartowana solarna, rury miedziane (układ w kształcie harfy, meandrów), rama kolektora z dnem i pokrywą, izolacja cieplna. Z powyższego zestawienia wynikają również jasno możliwości ewentualnego obniżenia kosztów produkcji kolektorów na przykład przez zastosowanie powłoki absorpcyjnej niemającej cech powłoki wysokoselektywnej czy cieńszej blachy. Jednym z najniebezpieczniejszych rozwiązań zmierzających do obniżenia kosztów produkcji może być zastosowanie szyby, która nie spełnia wymagań stawianych szybom solarnym (certyfikuje je szwajcarski instytut w Rapperswil) i nie jest bezpieczna. Taka szyba o gorszej jakości może nie wytrzymać np. gradobicia, a jeśli pęknie, stanowić będzie również zagrożenie dla otoczenia. Nieuczciwi producenci kolektorów mogą obniżać koszty np. przez zastosowanie mniejszej liczby rur miedzianych na jednostkę powierzchni kolektora, zmniejszenie średnic rur lub zmianę grubości ich ścianek. Zdarzały się przypadki budowy ramy kolektora z profilu o zmniejszonej grubości, zastosowania niewystarczającej warstwy izolacji cieplnej, a nawet izolacji niespełniającej wymagań techniki solarnej. Do ekstremalnych przypadków zaliczyć też można zastosowanie lutu złej jakości, a także przyspieszanie procesu łączenia blachy z rurkami przepływowymi za pośrednictwem ultradźwięków poprzez ustawienie niewłaściwych parametrów. Dużo zaoszczędzić można na konstrukcjach mocujących kolektory zdarzało się nawet, że pod naporem wiatru takie urządzenia spadały z dachów. Dlatego tak ważne jest zwrócenie uwagi na jakość wymienionych elementów. Jednak nie zawsze niska cena kolektorów powinna od razu budzić uzasadnione podejrzenia klientów. Powszechnie znany jest również fakt, że dużym producentom proponuje się częściej materiały w lepszych cenach, z większymi rabatami, niż firmom, które dopiero zaczynają produkcję. Z tego względu nie można twierdzić, że kolektor tańszy jest zawsze gorszy od urządzenia droższego. W przypadku kolektorów próżniowych należy rzeczywiście szczegółowo przeanalizować ceny urządzeń, gdyż ich rozrzut jest znacznie większy niż kolektorów płaskich. Trzeba przede wszystkim zastanowić się, czy konsekwencją niskiej ceny kolektora nie będzie jego krótka żywotność, szybka utrata sprawności albo uszkodzenie. Wbrew pozorom przypisywanie złej jakości solarom produkowanym w Chinach może się często okazać niesprawiedliwe. Wiele renomowanych zachodnich firm sprowadza kolektory słoneczne z tego kraju, a w celu zadbania o ich odpowiednią jakość transferuje do Chin swoje technologie i nadzoruje produkcję. Dzięki temu do naszego kraju trafiają chińskie kolektory, których jakość jest zadowalająca, co pozwala nazwać je atrakcyjnymi cenowo (w odróżnieniu od kolektorów tanich, ale niskiej jakości). Jednak efektem braku nadzoru nad produkcją kolektorów próżniowych mogą być np.: rozszczelnione rury próżniowe, rurki grzewcze wykonane z miękkiej miedzi, niezadowalający poziom próżni w rurkach grzewczych, słaba izolacja cieplna komory zbiorczej czy alu- Fot. 1. Uszkodzenia rur próżniowych kolektora w trakcie eksploatacji Fot. 5

7 Fot. 2. Widok zniszczonej izolacji cieplnej komory zbiorczej kolektora Fot. miniowe elementy przewodzące ciepło z rurek przepływowych o geometrii niezapewniającej efektywnego przewodzenia ciepła (fot. 1 i 2). Stagnacja Stagnacja jest zjawiskiem naturalnym, w przypadku gdy występuje duże nasłonecznienie, a użytkownik instalacji solarnej nie korzysta z energii słonecznej. W takiej sytuacji temperatura ciepłej wody użytkowej w zasobniku osiąga wartość maksymalną, a regulator nie ma stosownych opcji zabezpieczających lub napięcia zasilającego. Nieodbieranie ciepła z kolektorów prowadzi do występowania w nich bardzo wysokich temperatur. Ponieważ znacznie przekraczają one temperaturę wrzenia medium grzewczego, zawierającego zwykle glikol polipropylenowy i wodę, występuje wtedy zjawisko wyparowywania cieczy i wypychania gorącego medium z kolektorów. Jeżeli urządzenia mają konstrukcję umożliwiającą łatwe wydostawanie się medium poprzez króćce przyłączeniowe (tzw. kolektory łatwo opróżniające się), to niebezpieczeństwo pozostawania resztek płynu w kolektorach i w konsekwencji ich rozkładu jest ograniczone. Jednak gdy medium ulegnie rozkładowi, dojść może do zwężenia przekroju rurek przepływowych, a nawet ich zatkania. Rozkładające się medium powoduje zwiększone opory przepływu, zwłaszcza jeśli w instalacji zastosowano np. filtry osadnikowe. Zwiększone opory wiążą się z przyspieszonym zużyciem elementów problem ten dotyczy szczególnie urządzeń, w których ze względu na koszty zmniejszono średnice rurek przepływowych. Instalatorzy, którzy decydują się na minimalizację średnicy rur, muszą się liczyć z konsekwencjami takiego kroku. Np. redukcja średnicy z 18 mm (pojemność jednostkowa rur: 0,201 dm 3 /m) do 15 mm (pojemność: 0,133 dm 3 /m) prowadzi do zmniejszenia objętości płynu w obszarze stagnacji, a co za tym idzie do powstania znacznie wyższych temperatur i zwiększenia ich zasięgu. Z prostego wyliczenia wynika, że jeżeli temperatura na okreś lonym odcinku rur o średnicy 18 mm wzrośnie o 100 K, to po zmniejszeniu średnicy przyrost ten może przekroczyć 150 K. Wskutek stagnacji naczynie wzbiorcze znaleźć się może w strefie działania wysokich temperatur i żeby oddzielić je od tej strefy, nie należy stosować zaworu z wkładem z tworzywa sztucznego. Do najprostszych sposobów ochrony naczynia należy zastosowanie np. przednaczynia, chłodnicy powietrznej lub wodnej czy dłuższego karbowanego węża przyłączenio wego. Producenci kolektorów powinni w dokumentacji technicznej swoich produktów określać, w jaki sposób ich urządzenia zachowują się w przypadku wystąpienia zjawiska stagnacji i jak oferowane przez nich zestawy solarne są przed nią zabezpieczone. Kolektory w systemach drain-back Kolektory słoneczne stosowane są coraz częściej w systemach drain-back, w których medium roboczym jest woda użytkowa. Praca tych systemów polega w uproszczeniu na tym, że w momencie gdy kolektory słoneczne mają temperaturę niższą od temperatury wody użytkowej w zasobniku c.w.u., woda spływa z nich do specjalnego zasobnika, a w kolektorach pozostaje powietrze. Gdy kolektory zostaną ogrzane, uruchamia się pompa solarna, tłoczy wodę z zasobnika ciepłej wody użytkowej do kolektorów i wypycha tym samym powietrze do wspomnianego dodatkowego zasobnika, a woda dostaje się do zasobnika c.w.u. Systemy te wymagają, by możliwe było całkowite opróżnienie kolektorów z cieczy. Ponieważ przykładowo w kolektorach z harfą dzieloną lub meandrem pionowym nie jest to możliwe, urządzeń tych nie można zastosować w systemie drain-back, co może być uznane za ich wadę. Należy również zaznaczyć, że kolektory o takiej budowie należą do grupy urządzeń nieułatwiających opróżniania, są więc mało odporne na stagnację. 6

8 Kolektorów takich nie można także zastosować bez dodatkowych zabezpieczeń w letnich instalacjach basenowych z bezpośrednim podgrzewem wody przez instalację solarną. Po okresie letnim trzeba je opróżnić z wody, aby nie doszło do jej zamarznięcia w środku urządzeń, a co za tym idzie do rozsadzenia rurek przepływowych. Opróżnienie jest możliwe w tym wypadku jedynie poprzez wykonanie przedmuchania kolektorów. Innym rozwiązaniem, które chroni instalację solarną przed tym problemem, a także przed nadmiernym wzrostem ciśnienia w instalacji, gromadzeniem się poduszek powietrznych i zanieczyszczeniem zaworów zwrotnych, jest zastosowanie urządzenia o nazwie drain-master, służącego do efektywnego opróżniania pola kolektorów słonecznych z medium roboczego. Prace montażowe Nie wszyscy producenci kolektorów słonecznych dbają o to, by ich urządzenia wyposażone były w uchwyty ułatwiające transport i usytuowanie na miejscu montażu. Standardem powinno być wyraźne oznaczenie góry i dołu kolektora (jest to wymóg europejski). Również elementy wystające poza obrys kolektora i mogące ulec uszkodzeniu, np. w trakcie montażu lub transportu, powinny być chronione. W sytuacji gdy kolektor trzeba w całości przetransportować, montować w miejscach trudno dostępnych lub w warunkach ograniczonej przestrzeni, decydujące znaczenie może mieć jego wielkość i ciężar. W takim przypadku idealne może się okazać urządzenie dostarczane w podzespołach. Na tym tle pozytywnie wyróżniają się próżniowe kolektory słoneczne z rurką grzewczą (heat-pipe), gdyż można je zamontować bez konieczności transportu gotowego kolektora na dach budynku. Umożliwia to nawet małej firmie wykonanie prac instalatorskich bez użycia specjalnych urządzeń, takich jak np. wciągarka. Niebagatelną rolę w przypadku dużych instalacji odgrywać będzie liczba prac montażowych związanych z łączeniem kolektorów w moduły. Kolektory o dużej powierzchni czynnej łączone w szereg mają pod tym względem przewagę. W razie konieczności umieszczenia kolektorów w miejscach wyznaczonych przez architekta lub użytkownika, który sformułował specyficzne wymagania, dużą rolę może odgrywać konstrukcja urządzenia, które trzeba będzie np. zintegrować z połacią dachu, posadowić poziomo lub wykonać z niego zadaszenie. Posiadanie w ofercie kolektora w wersji pionowej i poziomej, o różnych gabarytach to również zaleta danego producenta, dająca możliwość łatwego dopasowania urządzenia do warunków lokalizacyjnych. Co wybrać? Wybór i zakup odpowiedniego kolektora słonecznego wiąże się z koniecznością przeprowadzenia pogłębionej analizy techniczno-ekonomicznej. Niejednokrotnie walory techniczne przesłaniane są przez cenę urządzenia, którą zwykle kierują się przy wyborze klienci. Zdarza się, że wymagania użytkownika narzucają wybór kolektora konkretnego typu, inne bowiem nie spełniają tych wymogów. Nie ma racji bytu udowadnianie wyższości kolektora płaskiego nad próżniowym, jeśli instalacja solarna wymaga temperatur, których kolektor płaski nie jest w stanie uzyskać. Z kolei nie należy opiewać zalet kolektora próżniowego, którego jakość budzi wątpliwości, a zatem wzrasta prawdopodobieństwo jego przyszłego defektu. Kupując kolektor słoneczny, nie zaszkodzi również prześwietlić handlowca czy nie udziela on gwarancji na okres znacznie dłuższy, niż istnieje jego firma, i czy ma wystarczająco duże doświadczenie w branży grzewczej lub odpowiednią na ten temat wiedzę. Tak jak w każdym innym przypadku, również przy kupnie kolektora warto zaufać producentom o uznanej marce. 7

9 2. WYMAGANIA JAKOŚCIOWE, BADANIA I CERTYFIKATY Każde urządzenie wprowadzane do obrotu handlowego musi mieć stosowne dopuszczenia i spełniać określone normami wymagania dotyczy to również kolektorów słonecznych. Producenci kolektorów zlecają uprawnionym instytucjom certyfikującym wykonanie badań zgodnych z obowiązującymi normami lub badań uzysku energetycznego, przyjętego jako podstawa uzyskania dofinansowania do instalacji solarnej w wielu krajach Unii. Pojawił się również znak jakości Solar Keymark. Na czym polegają te badania i w jaki sposób ich wyniki są wykorzystywane? Czy certyfikat jest dowodem wysokiej jakości pro duktu? Wymagania wobec trwałości Kolektory słoneczne muszą być odporne na wszystkie oddziaływania mogące wystąpić w trakcie eksploatacji, a jednocześnie po wystąpieniu takiego oddziaływania powinny być nadal zdolne do działania. Zgodnie z normą PN-EN :2004 [3] zaleca się, by obudowa kolektora była wodo szczelna, co zapobiegnie wnikaniu wody deszczowej. Wewnątrz kolektora nie powinna się zbierać skraplająca woda, może to bowiem wpływać na funkcjonalność i trwałość urządzenia. Dlatego kolektor powinien mieć obudowę umożliwiającą przepływ powietrza. Wszystkie elementy kolektora muszą być zaprojektowane i wykonane tak, by wytrzymały maksymalną temperaturę oraz naprężenia, które mogą wystąpić podczas stagnacji oraz szoku termicznego. Zaleca się, aby materiały, z których wykonany jest kolektor, były odporne na działanie promieniowania UV. Jeśli nie można tego zalecenia spełnić, materiały te muszą być zabezpieczone przed działaniem promieniowania. Wszelkie przewody znajdujące się wewnątrz kolektora muszą być tak skonstruowane, aby nie dochodziło do przecieków na skutek rozszerzalności cieplnej, jednocześnie należy unikać mostków cieplnych między absorberem a obudową. Absorbery kolektorów słonecznych muszą być wykonane z materiałów, które są odporne na czynniki mechaniczne, cieplne oraz chemiczne. Norma zaleca zastosowanie takich procesów produkcyjnych jak cięcie, lutowanie, spawanie itp. Absorbery powinny być tak zaprojektowane i skonstruowane, aby umożliwić odpowietrzenie układu podczas eksploatacji, powinny być również odporne na korozję. Należy je wymiarować z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa, wynoszącego 1,5 wartości dopuszczalnego nadciśnienia roboczego określonego przez producenta. Zatem jeśli producent podaje wartość dopuszczalną 20 barów, absorber powinien wytrzymać co najmniej 30 barów. Osłony przezroczyste kolektorów (szyby) powinny być odporne na zmieniające się warunki pracy (np. szok termiczny), promieniowanie UV, zanieczyszczenia powietrza, dużą wilgotność i skropliny i nie powinny zmieniać swojej przezroczystości w trakcie użytkowania kolektora. Materiały izolacyjne powinny być odporne na miejscowy wzrost temperatury w wyniku stagnacji zaleca się, aby w tej temperaturze nie występowało topnienie, kurczenie się lub odgazowanie izolacji wraz z postępującą kondensacją wewnątrz osłony kolektora. Niezbędne badania Zgodnie z normą PN-EN :2006 [4] kolektory słoneczne powinny zostać poddane badaniom: ciśnienia wewnętrznego w absorberze, odporności na wysoką temperaturę, ekspozycyjności, zewnętrznego szoku termicznego, wewnętrznego szoku termicznego (badania zewnętrznego i wewnętrznego szoku termicznego mogą być połączone z badaniami odporności na wysoką temperaturę lub badaniem ekspozycyjności), przeciekania spowodowanego deszczem (tylko dla kolektorów z osłonami), 8

10 obciążenia mechanicznego, odporności na zamarzanie (tylko dla przypadków określonych w normie ), przeglądu końcowego. Na życzenie możliwe jest przeprowadzenie testu odporności na uderzenie. Poza tymi podstawowymi badaniami przeprowadzane są również testy wydajności cieplnej cieczowych kolektorów słonecznych. Podczas pełnych badań (zleceniodawca ma prawo wybrać zawężony ich zakres) określa się krzywą sprawności kolektora, efektywną pojemność cieplną, stałą czasową oraz współczynnik korekcji kąta padania promieni słonecznych. Badana jest również krzywa oporów przepływu kolektora słonecznego. Jedynie kolektor, który pomyślnie przejdzie wszystkie badania, może być uznany za spełniający wymagania. W trakcie badań nie może dojść do przecieków, wełna mineralna nie może odgazowywać w wyniku działania wysokiej temperatury i nie może dochodzić do zaparowania szyby kolektora na powierzchni większej od określonej przepisami. Także rurki przepływowe nie powinny oddzielić się od arkusza absorbera, a rama kolektora powinna być szczelna i uniemożliwiać przedostanie się wilgoci do wnętrza urządzenia. Szyba kolektora musi być odporna na gradobicie, a dodatkowo powinna spełniać wymaganie bezpieczeństwa, co oznacza, że w trakcie pękania musi rozsypać się na drobne kawałki, aby nie stanowić zagrożenia dla otoczenia. Instytucje, które udzielają dofinansowania do kolektorów słonecznych, często wymagają, aby urządzenia te miały określone parametry (np. współczynnik sprawności przekraczający 80%). Wiąże się to z przeprowadzeniem badań wydajności kolektorów w akredytowanych instytucjach badawczych (zgodnie z wymienioną normą PN -EN :2006). Warto zaznaczyć, że instytucje przeprowadzające kompleksowe badania kolektorów słonecznych na każdym wydanym dokumencie poświadczającym pozytywny wynik badań lub uzyskane parametry dodają następującą klauzulę: Podane w certyfikacie dane dotyczą jedynie kolektora, który dostarczony został przez zleceniodawcę do badań. Rzeczywiste osiągi kolektora mogą znacznie odbiegać od podanych w certyfikacie. Identyfikacja urządzeń Każdy kolektor słoneczny musi być oznakowany w sposób widoczny i trwały. Na tabliczce znamionowej urządzenia powinny się znaleźć następujące dane: nazwa producenta, typ kolektora, numer seryjny, rok produkcji, pole całkowitej powierzchni kolektora, maksymalne ciśnienie robocze, temperatura stagnacji przy 1000 W/m 2 i temperaturze 30 C, objętość płynu przenoszącego ciepło, masa kolektora netto (nienapełnionego cieczą) oraz informacja o miejscu produkcji. Do kolektora można dołączyć deklarację zgodności. Jest to stwierdzenie producenta lub w imieniu producenta, że wyrób spełnia wymagania normy PN-EN Instrukcje dla instalatora Do kolektorów słonecznych, które sprzedawane są jako samodzielne urządzenia, powinna być dołączona instrukcja dla instalatora. Jeżeli sprzedawane są one w zestawie solarnym, instrukcja może dotyczyć całej instalacji i wówczas nie jest wymagana oddzielna instrukcja dla kolektora. Informacje niezbędne w każdej instrukcji to: wymiary i masa kolektora, instrukcja transportu i przenoszenia, zalecenia wobec ochrony odgromowej, informacje o sposobie łączenia kolektorów między sobą oraz łączenia kolektorów w pola, z uwzględnieniem wymiarów połączeń rurowych dla podzespołów o łącznej powierzchni do 20 m 2, zalecenia wobec płynu przenoszącego ciepło (również dotyczące korozji), opis środków ostrożności podczas napełniania, eksploatacji oraz obsługi, maksymalne ciśnienie robocze, krzywa spadku ciśnienia, maksymalny i minimalny kąt nachylenia kolektora. 9

11 Fot. ww.spf.ch Zalecenia eksploatacyjne Jeśli kolektor jest sprzedawany jako część składowa bezpośrednio odbiorcy, cała dokumentacja dotycząca bezpieczeństwa osób, eksploatacji i obsługi urządzeń powinna być udostępniona klientowi w języku kraju, w którym kolektor został sprzedany. Zatem nieuzasadnione są wymagania polskich firm, zwłaszcza handlowych, które kupując w Polsce kolektory u producenta, żądają dokumentów w obcym języku, bo zamierzają je sprzedać za granicą. Certyfikat uzysku energetycznego W wielu krajach, które zdecydowały się na wspieranie rozwoju odnawialnych źródeł energii (np. w Niemczech i Hiszpanii), Fot. 3. Zewnętrzne laboratorium badawcze kolektorów słonecznych dofinansowuje się jedynie takie instalacje, w których zastosowano kolektory słoneczne mające certyfikat uzysku energetycznego. Zdarza się, że wymóg taki znajduje zastosowanie również w Polsce. Producent lub dystrybutor kolektora słonecznego wysyła swoje produkty do upoważnionej instytucji badawczej w celu uzyskania odpowiedniego dokumentu poświadczającego, że badany kolektor uzyskał wymagany poziom uzysku energetycznego. Pod tym pojęciem kryje się cytowana przez producentów i firmy handlowe magiczna wartość 525 kwh/m 2 /rok (średnioroczny uzysk energetyczny kolektora słonecznego przekracza wartość 525 kwh z jednego m 2 powierzchni czynnej kolektora). Jednak instytucja badawcza nie bada kolektora na przestrzeni całego roku, lecz wykonuje symulację całorocznych warunków jego pracy na stanowisku badawczym, a następnie za pomocą stosownego programu komputerowego określa osiągi referencyjnej instalacji kolektorów. Pod tym pojęciem kryją się następujące założenia: lokalizacja instalacji: Würzburg (położenie: North, East), pogoda: TMY (Typical Meteorological Year) albo ekwiwalentne dane pogodowe, usytuowanie kolektorów na południe, nachylenie odpowiednie do szerokości geograficznej, powierzchnia kolektorów jest tak dobrana, aby wskaźnik pokrycia solarnego wynosił 40%, parametry kolektorów przyjmuje się z certyfikatu będącego wynikiem badań przez uprawnioną jednostkę, przepływ masowy identyczny jak w trakcie badań, zastępczo 50 l/m 2 /h, medium robocze takie jak w trakcie badań albo mieszanina wody i glikolu polipropylenowego o zawartości 30% glikolu, sterownik włącza pompę przy różnicy temperatur w wysokości 2 K pomiędzy temperaturą medium roboczego u wylotu kolektora a temperaturą zasobnika w obszarze wymiennika ciepła, przewody instalacji: zasilanie i powrót po 7,5 m długości wewnątrz i na zewnątrz budynku, na rurze o średnicy DN 16, w izolacji o grubości 25 mm (λ = 0,04 W/mK); straty ciepła liczone z uwzględnieniem temperatury wewnątrz pomieszczenia oraz temperatury powietrza na zewnątrz budynku, wymiennik ciepła: zanurzony wymiennik z gładkimi rurami o znanych parametrach (współczynnik ka wynoszący 400 W/K (±15%) przy temperaturach 42 /40 C na króćcu wlotowym i wewnątrz za sobnika), zasobnik o pojemności 300 litrów, współczynnik strat ciepła włącznie z kołnierzami zasobnika: 2,2 W/K, stosunek wysokości do średnicy: 2,5, pojemność dyspozycyjna: 135 l przy 47 C, temperatura zimnej wody: 10 C, temperatura wewnątrz pomieszczeń: 15 C, standardowy pobór ciepłej wody 200 l/dobę przy 45 C (jeśli temperatura przekracza 45 C, następuje 10

12 zmieszanie z zimną wodą do temperatury 45 C, odpowiada to energii w wysokości 2950 kwh/a, przyjęto jednostkowy pobór 10 l/min), profil poboru: o godz. 7 i 19 po 40% i 20% o godz. 12. Instytucje badające kolektory słoneczne mają laboratoria wewnętrzne i zewnętrzne, co oznacza, że kolektory bada się na stanowiskach bezpośrednio wystawionych na działanie promieni słonecznych lub w budynkach, naświetlając je strumieniem światła symulującym promieniowanie słoneczne. Niektóre instytuty mają stanowiska wewnętrzne i zewnętrzne (fot. 3 i 4), dzięki czemu mogą prowadzić badania niezależnie od warunków pogodowych. W przypadku tych instytucji (np. niemieckiego instytutu ISFH w Hameln) możliwe jest po wykonaniu testów wewnętrznych uzyskanie certyfikatu tymczasowego do czasu wykonania badań zewnętrznych. Certyfikatem tymczasowym posługiwać się można tak jak certyfikatem końcowym w określonym przez instytut terminie. Termin ten jest identyczny z terminem wydania certyfikatu ostatecznego. W praktyce parametry podane w certyfikacie tymczasowym nie odbiegają znacząco od podanych w certyfikacie końcowym. Wynika to z tego, że instytucja taka, badając kolektory od wielu lat, ustaliła korelację pomiędzy wynikami badań na obu stanowiskach i może sobie pozwolić na wydanie w pełni rzetelnego certyfikatu tymczasowego. Solar Keymark Znak jakości Solar Keymark wprowadzono z myślą o wyróżnieniu kolektorów słonecznych produkowanych zgodnie z obowiązującymi w tym zakresie normami europejskimi. Z rozpowszechnianej przez Europejskie Stowarzyszenie Przemysłu Kolektorów Słonecznych (ESTIF) ulotki wynika, że podstawą programu certyfikacyjnego jest kontrola produktów na bazie zgodności z obowiązującymi normami europejskimi oraz kontrola jakości wg ISO Instytucją, która zajmuje się nadawaniem tego oznaczenia, jest między innymi berlińska spółka DIN CERTCO, która została uznana za neutralną, niezależną i kompetentną instytucję certyfikującą. Solar Keymark uzyskać można również w innych instytucjach wyznaczonych przez stowarzyszenie ESTIF: CERTIF (Portugalia), ICIM (Włochy), ELOT (Grecja), KIWA (Holandia) oraz SP (Szwecja) i TSU (Słowacja). Aby uzyskać znak Solar Keymark, niezbędne jest wykonanie pełnego zestawu badań zgodnie z wymaganiami normy PN-EN :2006 przez akredytowaną w DIN CERTCO instytucję badawczą. Po pozytywnym przejściu badań DIN CERTCO wizytuje zakład produkcyjny i bada typ kolektora wizytacje te odbywają się regularnie. Producent powinien legitymować się systemem kontroli jakości produkcji uwzględniającym zalecenia normy EN ISO System taki podlega całorocznemu nadzorowi, który co dwa lata poszerzany jest o kontrolę produktu. Na stronie internetowej Europejskiego Instytutu Normalizacji [5] znaleźć można informacje o Solar Keymark w kontekście zgodności z normami europejskimi. Natomiast na stronie stowarzyszenia ESTIF [6] znajduje się lista kolektorów słonecznych, które mają ten znak. Fot. ww.arsenal.ac.at Kolektory jako element systemu grzewczego Kolektory słoneczne stanowią element składowy zestawu solarnego, muszą więc spełniać również wymagania całego systemu. Podlegają zatem wymaganiom normy PN-EN [7]. W normie tej znajdują się wymagania ogólne stawiane instalacjom solarnym: przydatność do stosowania jako element instalacji wody pitnej (zgodność z normą EN 806-1), Fot. 4. Wewnętrzne stanowisko badawcze 11

13 zabezpieczenie wody przed skażeniem, odporność na zamarzanie i korozję, zabezpieczenie przed zbyt wysokimi temperaturami, zwłaszcza pod kątem możliwego oparzenia się użytkownika, bezpieczeństwo elektryczne oraz ciśnieniowe (konieczność zastosowania armatury zabezpieczającej). Norma opisuje również wymagania wobec elementów składowych zestawu solarnego. W przypadku kolektorów słonecznych dotyczy to oczywiście wymagań objętych normą PN-EN Producenci konstrukcji mocujących kolektory słoneczne powinni kierować się zaleceniami normy EN (konstrukcje stalowe) i EN (konstrukcje wykonane z aluminium). Unia Europejska zaleca stosowanie przy projektowaniu tych konstrukcji tak zwanych Eurokodów dla naporu wiatru i ciężaru śniegu. W normie ujęte są także wymagania wobec przewodów rurowych, wymienników ciepła, regulatorów oraz urządzeń zabezpieczających, a także opisów (tabliczki znamionowe, plakietki itd.). Norma precyzuje również, jaka dokumentacja powinna być dostarczana wraz ze sprzedawanym zestawem solarnym. Dokumentacja ta ma zawierać część przeznaczoną dla instalatora oraz osobną część dla użytkownika instalacji solarnej. Instalacja solarna może być poddana badaniom wydajności zgodnie z PN-EN [8]. Dokument ten opisuje metody badawcze związane z wymaganiami ogólnymi dotyczącymi podzespołów instalacji solarnych. Norma PN-EN i -2 dotyczy urządzeń wykonywanych fabrycznie. Są to zwykle gotowe instalacje do użytku domowego służące przygotowaniu ciepłej wody użytkowej. W przypadku gdy instalacje do przygotowania c.w.u. oraz/lub do wspomagania ogrzewania wykonywane są w oparciu o indywidualną dokumentację projektową z indywidualnymi elementami składowymi (najczęściej dotyczy to dużych instalacji), zastosowanie znajdą również przepisy normy ENV [9] i jej elementy: wymagania ogólne, metody badań i badanie wydajności zasobników ciepłej wody użytkowej. Powyższe informacje o wymaganiach, które w myśl obowiązujących przepisów stawiane są słonecznym systemom grzewczym, ze szczególnym uwzględnieniem kolektorów słonecznych, kierowane są do użytkowników instalacji solarnych i instalatorów. Ustawodawcy uznali, że jedynie zestawy solarne spełniające wszystkie wymagania norm branżowych stanowią gwarancję jakości i bezawaryjnej pracy kolektorów słonecznych. Trzeba jednak pamiętać, że w praktyce nawet najlepsze unormowania i przepisy prawa nie ustrzegą niestety użytkowników przed awariami i usterkami. 12

14 3. PRAWIDŁOWY MONTAŻ KOLEKTORÓW Montaż orurowania Praktycznie wszystkie firmy sprzedające tzw. kompletne zestawy solarne oferują je bez przewodów rurowych ze względu na fakt, że długość orurowania jest zwykle niemożliwa do precyzyjnego oszacowania bez przeprowadzenia wizji lokalnej u użytkownika. Zatem dobór średnic rur leży zwykle w gestii instalatora. Zdarza się jednak często, że instalatorzy, nie mając czasu na dokładne zapoznanie się z zaleceniami producentów kolektorów słonecznych i wiedząc, że klienci oczekują jak najniższej ceny montażu instalacji, proponują rozwiązania niestandardowe. Pół biedy, jeśli zaproponują oni niewłaściwe średnice rur z miedzi lub, co jest gorszym rozwiązaniem, zdecydują się zastosować rury ocynkowane (cynk wchodzi w reakcję z glikolem, przyspieszając starzenie się rur). Najgorszym jednak rozwiązaniem jest w tym wypadku zastosowanie rur z tworzyw sztucznych. Większość firm z branży solarnej zaleca stosowanie rur miedzianych, ze względu na zalety tego materiału, tj.: odporność na starzenie się i niezmienne właściwości mechaniczne wraz z upływem czasu, odporność na dyfuzję tlenu, co pozwala ograniczyć stosowanie inhibitorów lub wymienników ciepła, łączenie rur miedzianych za pomocą lutowania, zaprasowywania i zacisków uznawane jest za bezpieczne i pozwala dowolnie rozlokować przewody, miedź nadaje się do recyklingu, a rury nie są odpadem niebezpiecznym, sieć przewodów z miedzi może być bez problemów rozbudowywana nawet po latach. Często pojawiają się pytania, jaką miedź stosować twardą czy miękką? Trudno jednoznacznie wskazać konkretny rodzaj rur, choć stosowanie rur miękkich może nieść za sobą pewne niebezpieczeństwa. Zdarza się dość często, że instalatorzy, układając sieć przewodów, zapominają o potrzebie montażu rur z niewielkim wzniosem w kierunku kolektorów, a wykorzystując rury z kręgu, nie dbają o ich wyprostowanie i właściwe uchwycenie (fot. 5). Warto dodać, że identyczny problem może wystąpić przy wykorzystaniu elastycznych węży karbowanych ze stali nierdzewnej, które również dostarczane są w kręgach. Może być on nawet większy ze względu na gromadzenie się powietrza w karbach węża, a co za tym idzie, niebezpieczeństwo zatrzymania obiegu medium grzewczego po powstaniu poduszki powietrznej w rurze. Jest to szczególnie niebezpieczne w przypadku rur przykrytych warstwą ocieplenia dachu. Jak wspomniano, rury powinny być prowadzone tak, by wznosiły się w kierunku kolektorów. Co jednak zrobić w sytuacji, gdy kolektory zostały umieszczone przed budynkiem, poniżej poziomu kotłowni? Autor spotkał się z dwiema próbami rozwiązania tego problemu. W pierwszej koncepcji, ze względu na możliwość zbierania się powietrza w najwyższym punkcie instalacji, czyli załamaniu rur nad grupą solarną, instalator zabudował automatyczne odpowietrzniki. Jest to działanie prawidłowe, ale nierozwiązujące problemu do końca. Co się bowiem stanie w momencie eksploatacji instalacji w zakresie wysokich temperatur? Woda będąca składnikiem cieczy solarnej zacznie wtedy wrzeć, w instalacji pojawi się powietrze, które naturalnie wydostanie się z niej na zewnątrz przez automatyczny odpowietrznik, ponieważ zbierając się pod pływakiem, nie będzie w stanie podnieść go do góry i zamknąć. W efekcie w instalacji obniżać się będzie ciśnienie, a gęstość cieczy będzie rosła w wyniku wzrostu udziału glikolu. Inny instalator analizujący ten przypadek uznał, że nie należy się obawiać poduszki powietrznej. Jego zdaniem, Fot. 5. Przykład nieprawidłowego montażu orurowania Fot. archiwum autora 13

15 Rys. JC króciec zasobnika ciepło zimno straty ciepła zimno ciepło Rys. 1. Cyrkulacja medium w króćcu zasobnika zimno jeśli instalacja została prawidłowo odpowietrzona w trakcie napełniania, ciśnienie wstępne w naczyniu i ciśnienie instalacji zostały odpowiednio dobrane, można spać spokojnie". Jest to również myślenie prawidłowe do pierwszego wyłączenia energii elektrycznej w trakcie dużej ekspozycji słonecznej. Chyba że zastosowano awaryjne zasilanie lub inne zabezpieczenia, co problem wyeliminuje. Warto podkreślić konieczność zasyfonowania króćców zasobników to standardowe rozwiązanie polecane podczas szkoleń dotyczących montażu kolektorów organizowanych przez renomowane firmy. Jak wiadomo, ciepłe medium ma tendencję do przemieszczania się w górę króćca (rys. 1). Zjawisko cyrkulacji naturalnej (konwekcji) nie jest jednak łatwe do wychwycenia, gdyż rura z zewnątrz jest zimna, a ciepło przemieszcza się w jej osi. Ciepło jest więc w takiej sytuacji wysysane ze zbiornika, a użytkownik skarży się, że zasobnik się wy chładza. Temu problemowi można zapobiec poprzez zasyfonowanie króćców lub/oraz zastosowanie zaworów zwrotnych antygrawitacyjnych. Instalatorzy jednak często uważają, że skoro każda grupa solarna ma zawory zwrotne, problem jest rozwiązany i syfonu stosować nie trzeba. Jest to błędne przekonanie rzeczywiście każdy zawór zwrotny zapobiega przepływowi medium w niewłaściwym kierunku, ale czy również niepożądanej cyrkulacji? W sytuacji, gdy ciecz znajdująca się pod i nad zaworem ma identyczną temperaturę, problem nie występuje. Pojawia się on jednak, gdy do zaworu zwrotnego dopłynie ciepłe medium wydostające się z zasobnika. Ciecz nad zaworem ma niższą temperaturę i większą gęstość, a co za tym idzie masę, i naciska na sprężynę zaworu, może więc dojść do jego otwarcia (dodatkowo ciepło wykorzystuje najmniejsze nieszczelności, np. mikronierówności powierzchni). Mimo to wielu instalatorów oszczędza, stosując jednodrożne grupy pompowe, a wówczas zaworu na gałęzi zasilania w ogóle nie ma. Renomowane firmy stosują specjalne elementy blokujące wypływ ciepła z zasobnika, są one jednak kosztowne. Instalatorzy często uważają, że skoro stosują przewody solarne o średnicy 15 mm, to prawdopodobieństwo cyrkulacji jest znikome. Nie jest to do końca prawdą. Stosując rury o średnicy 15 mm, doprowadzamy do powstania zjawisk, które mogą się niekorzystnie odbić na pracy instalacji solarnej. Większość króćców w kolektorach słonecznych ma większe średnice, nie mówiąc już o króćcach grup pompowych i zasobników solarnych. Wymaga to zastosowania złączek przejściowych lub elementów pozwalających na podłączenie przewodów magistrali solarnej do podstawowych podzespołów. Każdy taki element jest źródłem dodatkowych oporów i zaburzeń przepływu i miejscem potencjalnych przecieków. Medium robocze przemieszczające się w rurce o średnicy 15 mm z określoną prędkością (zwykle dużą nawet przy małym natężeniu przepływu, a w każdym razie większą niż w przypadku rury o większej średnicy) wpada do króćca wężownicy solarnej i w wyniku zmiany średnicy nagle wytraca prędkość. Każde takie zdarzenie zaburza przepływ, a do tego powstaje w miejscu, gdzie gorąca ciecz solarna powinna oddać jak najwięcej ciepła wężownicy, a co za tym idzie, wodzie użytkowej. Jeśli wymagany jest większy przepływ (kilka kolektorów w zestawie), stosowanie rur o małej średnicy prowadzi do dużych prędkości przepływu, czyli niepożądanej głośnej pracy instalacji. Natomiast w przypadku, gdy w instalacji dochodzi do zjawiska stagnacji i gorąca para zostaje wypychana z kolektorów słonecznych w stronę przewodów solarnych, odcinek, na którym zjawisko to występuje, jest tym dłuższy, im mniejsza jest średnica przewodów. Wynika to z pojemności wodnej rury oraz ilości energii, jaką jest ona w stanie zakumulować. Może to prowadzić do niepotrzebnych obciążeń ciepl- 14

16 nych elementów instalacji, np. naczynia wzbiorczego, jeśli zostało ono ulokowane nad pompą. Trzeba równocześnie pamiętać, że jednostkowe straty ciepła są w rurach o małej średnicy najmniejsze, oczywiście pod warunkiem, że instalator nie zapomni o zastosowaniu prawidłowej izolacji cieplnej. Montaż kolektorów Jednym z najważniejszych etapów montażu instalacji solarnej jest prawidłowe wykonanie posadowienia i przyłączy kolektorów słonecznych. Chodzi tu przede wszystkim o właściwe usytuowanie i zamocowanie kolektorów na połaci dachowej, lub w innym miejscu przewidzianym do ich umieszczenia, i poprowadzenie przewodów. Poniżej podano kilka uwag, które pozwolą uniknąć błędów w montażu. Prawidłowa lokalizacja kolektorów pozwala na uzyskanie maksymalnego uzysku energetycznego instalacji solarnej oraz na skrócenie okresu zwrotu kosztów inwestycji. Z uwagi na konieczność umieszczenia kolektorów słonecznych w miejscu o najlepszej ekspozycji słonecznej montuje się je najczęściej na dachach budynków. Występują trzy podstawowe warianty takiego montażu: kolektory umieszczone na nachylonej połaci dachowej na konstrukcji mocującej (fot. 6). Zaletą takiego sposobu mocowania jest nienaruszanie połaci dachowej, a przy prawidłowym montażu dodatkowe obciążenia związane z montażem kolektorów na dachu przenoszone są na jego konstrukcję nośną. Ponieważ między kolektorem a połacią dachową istnieje wolna przestrzeń, kolektor płaski musi mieć po tej stronie na dnie płytę odporną na działanie czynników atmosferycznych, zdolną do uniesienia izolacji cieplnej; kolektory wpuszczane w połać dachu (fot. 7). Kolektory posadowione są na kontrłatach konstrukcji dachowej i mają oblachowanie podobne do okien dachowych. W przypadku montażu w budynkach znajdujących się w trakcie budowy mogą zostać zintegrowanie z połacią dachową; kolektory na konstrukcjach wolnostojących (fot. 8). Przypadek ten występuje wtedy, gdy dach jest płaski lub gdy nie ma możliwości bezpośredniego posadowienia na połaci dachowej, na przykład ze względu na brak ekspozycji słonecznej. Konstrukcja taka jest zwykle bardziej narażona na działanie warunków atmosferycznych. Połać dachowa, na której umieszczane są kolektory, musi umożliwiać im długotrwałą pracę (żywotność kolektorów wynosi ponad 20 lat). Należy w związku z tym uwzględnić przed montażem kilka aspektów: konstrukcja dachu powinna mieć parametry zapewniające przeniesienie dodatkowych obciążeń związanych z posadowieniem kolektorów słonecznych. Te obciążenia to głównie ciężar kolektora napełnionego cieczą, ciężar śniegu zalegającego na kolektorze oraz napór wiatru. Renomowane firmy korzystają z programów do wyznaczania sumarycznego obciążenia wywołanego montażem kolektorów z uwzględnieniem kierunku naporu wiatru, co Fot. BMK Solar Fot. 6. Kolektory umieszczone na nachylonej połaci dachowej Fot. 7. Kolektory wpuszczone w połać dachu Fot. archiwum autora Fot. archiwum autora Fot. 8. Kolektory umieszczone na specjalnych konstrukcjach 15

17 pomaga im w prawidłowym projektowaniu konstrukcji mocujących na rys. 2a pokazano przykładowe pole nacisków na kolektor, gdy wiatr wieje z jego przodu, a na rys. 2b gdy wieje z tyłu; połać dachu powinna być w takim stanie, by po montażu kolektorów nie była konieczna jej renowacja, podczas której należy zdemontować urządzenia; powierzchnia dachu powinna umożliwiać montaż całego zestawu kolektorów, tak by poszczególne urządzenia wzajemnie się nie zacieniały. Nie może też sama być zacieniana przez drzewa czy sąsiednie budowle itd.; dach powinien mieć minimalną ilość elementów utrudniających instalację kolektorów (tj. kominów, nadbudówek, szybów wentylacyjnych, świetlików), ponieważ ich duża liczba może powodować konieczność rozbicia zestawu kolektorów na małe pola, co a) zwiększa koszty inwestycji i obniża jej sprawność; połać dachu nie musi być usytuowana dokładnie na południe, odchylenie od azymutu północ południe rzędu ±45 nie powoduje znaczącej redukcji uzysku energetycznego kolektorów, co zobrazowano na rys. 3 dla wybranej lokalizacji i instalacji pracującej przez cały rok. Jeśli kolektory pracują głównie latem (np. w instalacji do Rys. Stienbeis-Transferzentrum für Energie Rys. Stienbeis-Transferzentrum für Energie b) Rys. 2. Pola nacisków na kolektor w zależności od kierunku wiatru: a) z przodu kolektora, b) z tyłu Fot. archiwum autora Fot. 9. Przykład rozmieszczenia dużej liczby kolektorów na dachu podgrzewu wody basenowej), można je montować bardziej płasko (rys. 4). Natomiast jeżeli działanie kolektorów przypada na okresy przejściowe i zimę (np. instalacje do wspomagania ogrzewania budynków), powinny być one usytuowane pod większym kątem (rys. 5). Aby nie dochodziło do zacienienia kolektorów ustawionych w bateriach pracujących przez cały rok, nawet przy najniższym położeniu słońca, trzeba im zapewnić odpowiednią odległość. Oznacza to konieczność ustalenia wartości kąta minimalnego wysokości słońca dla określonej szerokości geograficznej. Można skorzystać z gotowych programów pozwalających na wykreślenie trajektorii ruchu słońca i ustalenie tej wartości z otrzymanego wykresu. Znając wartość kąta padania promieni słonecznych α (położenia słońca), można wyznaczyć wymaganą odległość rzędów kolektorów, aby uniknąć zacienienia (rys. 6). Przykładowo dla kolektorów o wysokości h = 2 m przy kącie nachylenia kolektorów β = 45 oraz kącie położenia słońca w grudniu wynoszącym α = 18 wymagana odległość rzędów kolektorów wynosi L = 6,4 m. Oczywiście gdy instalacja jest wykorzystywana okresowo (np. kolektory do podgrzewu wody basenowej), to minimalna wartość kąta α padania promieni słonecznych jest wyższa i rzędy kolektorów można znacznie zagęścić. Jednocześnie można się zdecydować na obniżenie wartości kąta β nachylenia kolektorów, co dodatkowo pozwoli na rozmieszczenie ich większej liczby (fot. 9). W przypadku kolektorów montowanych poziomo istnieje możliwość ustawienia większej liczby szeregów. Trzeba przy tym pamiętać o zwiększonej szerokości takich kolektorów, co z kolei utrudnia ustawienie większej liczby urządzeń w szeregu. 16

18 Każdy przypadek montażu wymaga zatem analizy możliwości maksymalizacji uzysku energetycznego z kolektorów. Niejednokrotnie dla uzyskania wymaganego efektu energetycznego niezbędne jest budowanie dodatkowych konstrukcji wsporczych, na których posadawiane są kolektory słoneczne (stanowią one oczywiście dodatkowe obciążenie dachu). Natomiast jeśli połacie dachu usytuowane są na wschód i zachód, montuje się na nich kolektory, zwiększając ich powierzchnię czynną dla rekompensaty strat uzysku energetycznego związanego z niekorzystnym położeniem dachu. Bez względu na to, czy kolektory są wykorzystywane w ciągu całego roku, czy nie, przez cały rok narażone są na działanie warunków atmosferycznych, dlatego w okresie bezczynności powinny być odpowiednio zabezpieczone (należy je przykryć, opróżnić instalację itd.). Jeśli kolektory zostaną źle ulokowane, w miejscu częściowo zacienionym, to kilka z nich nie będzie grzać, a ich rurki przepływowe mogą się zbyt szybko zużywać w wyniku tłoczenia przez pompę Uzysk solarny [%] usytuowanie na wschód 45 zachód południe usytuowanie na południe północ wschód Rys. 3. Uzysk solarny w zależności od usytuowania i nachylenia kolektorów Uzysk solarny [%] usytuowanie na wschód 45 zachód południe usytuowanie na południe północ wschód Rys. 4. Uzysk solarny w zależności od usytuowania i nachylenia kolektorów w okresie letnim usytuowanie na zachód usytuowanie na zachód Rys. archiwum autora Rys. archiwum autora Rys. archiwum autora Uzysk solarny [%] usytuowanie na wschód 45 zachód południe usytuowanie na południe północ wschód Rys. 5. Uzysk solarny w zależności od usytuowania i nachylenia kolektorów w okresie zimowym 45 usytuowanie na zachód h Rys. 6. Wyznaczanie odległości między kolektorami usytuowanymi szeregowo L zimnej cieczy o dużej gęstości. Gdy dodatkowo cały układ zostanie źle wykonany, może dochodzić do wychładzania zasobników ciepłej wody użytkowej lub buforów ciepła. Rys. archiwum autora 17

19 4. DUŻE INSTALACJE SOLARNE Projektowanie, dobór i wykonawstwo dużych instalacji solarnych wymaga wiedzy znacznie wykraczającej poza tę, która wystarcza w przypadku domowych instalacji. Podczas przeprowadzania procedury przetargowej podstawowym wymaganiem powinny być referencje firm wykonawczych, jednak nikt nie sprawdza prawidłowości funkcjonowania instalacji przez nie wykonanych. Często też o instalacji decyduje projektant, który przygotowując projekt, może nie uwzględnić wielu specyficznych dla pól kolektorów warunków. Efektem mogą być awarie instalacji lub brak oczekiwanej wydajności energetycznej. Definicja dużej instalacji solarnej Przyjmuje się, że na dużą instalację solarną (fot. 10) składają się kolektory o powierzchni przekraczającej 100 m 2. Instalacje takie mogą być przeznaczone m.in. do: przygotowywania ciepłej wody użytkowej, ogrzewania wody basenowej, przygotowywania c.w.u., wspomagania ogrzewania i ewentualnie ogrzewania wody basenowej, przemysłowego przygotowywania ciepła, magazynowania energii w celach grzewczych, klimatyzacji obiektów. Wstępna ocena możliwości zastosowania kolektorów Przed rozpoczęciem projektowania instalacji solarnej z wykorzystaniem kolektorów słonecznych niezbędne jest sprawdzenie, czy w obiekcie można je zastosować. Podstawowe kryteria, które należy przeanalizować w instalacjach do przygotowania c.w.u., to: właściwe usytuowanie budynku, a zwłaszcza powierzchni oraz nachylenia dachu przeznaczonego pod kolektory, występowanie zacienienia spowodowanego przez drzewa lub sąsiadujące obiekty, liczba osób zamieszkujących obiekt w kontekście wielkości powierzchni wymaganej dla kolektorów, istnienie pomieszczeń o odpowiedniej kubaturze, które miałyby pomieścić zasobniki, możliwość poprowadzenia rurociągów w sposób redukujący straty energii. Właściwe usytuowanie to takie położenie połaci dachu, które pozwala na zamontowanie na niej kolektorów bez nadmiernej straty uzysku energetycznego. Gdy warunek ten nie może zostać spełniony, należy sprawdzić, czy istnieje możliwość innej lokalizacji (np. przeniesienia kolektorów z dachu na powierzchnię wokół obiektu). Kolektory nie powinny być także w żaden sposób zacieniane. Na etapie planowania instalacji należy sprawdzić, czy zacienienie nie wystąpi również w przyszłości, np. w wyniku wybudowania w sąsiedztwie wysokich budynków (zagadnienie to szerzej opisano w poprzednim rozdziale). Doświadczeni wykonawcy instalacji potrafią określić tak zwany przelicznik wodny, czyli ilość m 2 powierzchni czynnej kolektorów na mieszkańca, który pozwala na wyliczenie przybliżonej wymaganej powierzchni kolektorów, a co za tym idzie, Fot. 10. Pole kolektorów w Marstal w Danii powierzchni koniecznej pod ich zabudowę. Fot. archiwum autora 18