KOLEKTORY SŁONECZNE W Ośrodku szkoleniowo badawczym w Ostoi zainstalowano 6 kolektorów słonecznych płaskich Vitosol 100F SH 1 firmy Viessmann o łącznej powierzchni czynnej 13,98 m 2 (Fot. 1.) Fot. 1 Zestaw kolektorów słonecznych (Vitosol 100 F) zainstalowanych w Ośrodku Szkoleniowo Badawczym w Ostoi. Fot. Dariusz Szyszka Kolektory zainstalowano na płaskim dachu budynku, przy zastosowaniu konstrukcji aluminiowej pozwalającej na ustawienie kolektorów pod kątem 42,5 o w kierunku południowym. Jest to najbardziej korzystny kąt nachylenia na naszej szerokości geograficznej w okresie letnim, w okresie zimowym kąt ten powinien wynosić około 70 o. Łączna moc kolektorów przy intensywnym nasłonecznieniu w okresie letnim moŝe wynosić dać energię nawet 11 kwh w ciągu godziny, energia ta transportowana jest do zbiorników wody uŝytkowej, znajdujących się w piwnicy budynku. Czynnikiem roboczym stosowanym w instalacji jest ERGOLID roztwór glikolu etylenowego. Ciepło po przeniknięciu do glikolu, transportowane jest rurociągiem do węŝownicy wewnętrznej znajdującej się w zbiorniku, za pomocą której odbywa się przenikanie ciepła z glikolu poprzez ścianki węŝownicy od otaczającej jej wody. Schemat instalacji solarnej przedstawia Rysunek 1. Rysunek 1 Schemat instalacji solarnej w obiegu ciepłej wody uŝytkowej
KaŜdy z zainstalowanych zbiorników ma objętość 500 l, w sumie moŝliwe jest magazynowanie 1 m 3 wody dla celów uŝytkowych, której temperatura powinna zawierać się w zakresie od 38 do 50 ºC. Istnieją dwie moŝliwości dostarczania ciepła do wody w zbiornikach, do zbiornika oznaczonego numerem 1 jest dostarczane jest ciepło wytwarzane przy udziale pompy ciepła, która pracuje głównie w okresie zimowym dostarczając ciepło na potrzeby centralnego ogrzewania, jednocześnie dogrzewając wodę w zbiornikach, kiedy natęŝenie promieniowania słonecznego jest zbyt niskie. W okresie letnim w czasie pochmurnych dni, woda dogrzewana jest równieŝ pompą ciepła. Decydując się na zainstalowanie instalacji kolektorów słonecznych naleŝy pamiętać, iŝ o ile w okresie letnim są one w stanie zapewnić tyle ciepła aby pokryć nasze potrzeby, o tyle w czasie pochmurnych dni, konieczne jest korzystanie z dodatkowego źródła ciepła dogrzewającego wodę. MoŜe to być instalacja pompy ciepła, piec gazowy czy grzałka elektryczna. Ciepło pochodzące z kolektorów słonecznych transportowane jest rurociągiem do węŝownicy umieszczonej w zbiorniku numer 2, czynnik o wyŝszej temperaturze podawany jest na górną część węŝownicy, gdzie przepływając w dół, wymienia ciepło w przeciwprądzie poruszającej się wodzie w zbiorniku, w wyniku konwekcji. Konwekcja sprawia Ŝe ciepła woda unosi się samoistnie ku górze, zimniejsza pozostaje w dolnych warstwach zbiornika. Wyjście ciepłej wody uŝytkowej podpisane na Rys 1, odbywa się z górnej części zbiornika, w przypadku nagrzania wody w zbiorniku powyŝej ustawionej temperatury (50 ºC) następuje cyrkulacja wody pomiędzy zbiornikami za pomocą rurociągu wyrównującego, pozwalającego na przepływ wody zimniejszej do zbiornika w którym dostarczane jest ciepło, woda cieplejsza przepływa w tym wypadku do zbiornika pełniącego funkcję bufora. W okresie zimowym woda zimna powinna być doprowadzana do zbiornika 2, kiedy to mimo niskiego natęŝenie promieniowania słonecznego, moŝna uzyskać podgrzanie wody o kilka stopni. Ciepło to pochodzi praktycznie z darmowego źródła, natomiast dalsze dogrzewanie wody do Ŝądanej temperatury następuje juŝ w zbiorniku 1 poprzez pompę ciepła. W okresie zimowym cyrkulacje cieczy pomiędzy zbiornikami nie jest wskazana ze względów ekonomicznych. W obiegu instalacji solarnej znajduje się około 40 litrów glikolu z czego około 19,6 litra znajduje się z rurociągach, ponad 6,5 litra mieszczą w sobie same kolektory, a reszta znajduje się w zbiorniku wyrównawczym nie zaznaczonym na rysunku. Pompa pompuje glikol tylko wtedy jeŝeli jego temperatura na wyjściu z kolektorów jest o wyŝsza niŝ temperatura na wejściu do kolektorów, oraz gdy jest to temperatura wyŝsza niŝ temperatura wody znajdującej się w zbiorniku, proces ten jest w pełni zautomatyzowany. Jak widać na Rys 1. natęŝenie przepływu glikolu wynosi ok. 550 l/h co oznacza, Ŝe czas potrzebny na przepłyniecie przez kolektor zajmuje około 40 sekund, a róŝnica temperatur w tym przypadku wynosi 43,2 36,9 = 6,3 ºC, moŝna łatwo policzyć znając ciepło właściwe glikolu ile ciepła uzyskujemy z instalacji solarnej w przeciągu godziny przy załoŝeniu utrzymania się stałego nasłonecznienia. Ciepło właściwe ERGOLIDU (roztworu na bazie glikolu) wynosi 3380 J/(kg K) przeliczmy więc: Q = Cp V ρ h T
gdzie : Q ilość uzyskanego ciepła w przeciągu godziny [kwh] Cp ciepło właściwe dla glikolu J/(kg K) V objętościowe natęŝenie przepływu [m 3 /s] ρ gęstość glikolu [kg/m 3 ] T = (Tk - Tp) Temperatura początkowa i końcowa [ºC, K] Q = 3380 0,55 1115,5 (43,2-36,9)/3600 Q = 3,6 kwh Z dachu, gdzie zainstalowano kolektory do miejsca docelowego, a więc zbiorników ciepłej wody uŝytkowej, glikol przebywa rurociągiem około 20 metrów, tracąc w tym momencie ciepło, ciepło to jest tracone równieŝ w drodze z bufora do kolektora, poniewaŝ temperatura czynnika cały czas w czasie pracy instalacji jest wyŝsza niŝ temperatura otoczenia, powietrza w budynku. Straty ciepła w przeciągu godziny przedstawiają się następująco: Q str.z.s = 2 L λ π Tz/ln(d zwzlz /d wewlz ) Q str.d.s = 2 L λ π Td/ln(d zwzlz /d wewlz ) gdzie : Q str.z.s strata ciepła na drodze nośnika z solara do węŝownicy w zbiorniku [W] Q str.z.s strata ciepła na drodze powrotnej nośnika po przejściu przez węŝownicę [W] L długość rurociągu [m] λ współczynnik przewodzenia ciepła dla materiału izolacyjnego (pianka polimerowa lub wełna mineralna 0,04 [W / m K] dla grubości 2 cm) d zeziz, d wewiz średnica wewnętrznej i zewnętrznej izolacji [mm] T z, T d róŝnica temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym transportowanym w kierunku węŝownicy i w drodze powrotnej [K] Q str. z. S W W 2 20m 3,14 0,04 ( 43,2K 20,7K) 5,024 ( 22,5K) m K K 113,04W = = = = 96, 67 W 58mm ln ln( 3,22) 1,169 18mm Q str. d. S W W 2 20m 3,14 0,04 ( 36,9K 20,7K) 5,024 ( 16,2K) m K K 81,38W = = = = 69, 59 W 58mm ln ln( 3,22) 1,169 18mm Q SC = Q + Q = 96,67+ 69,59= 166, 3 W str. z. S str. d. S Oznacza to Ŝe straty ciepła na zaizolowanych rurociągach wynoszą około 170 W w ciągu godziny, na zainstalowanej instalacji w Ośrodku, strata ta zaleŝeć będzie oczywiście od temperatury, jeŝeli temperatura wyjściowa z kolektorów będzie wynosić 67 stopni, a temperatura na powrocie 54 stopnie to straty będą wynosić 340 Wh, a wiec ponad dwukrotnie więcej, taka róŝnica temperatur występuje jednak przy bardzo dobrym nasłonecznieniu, średnio moŝna przyjąć straty na poziomie około 200 W w ciągu godziny pracy instalacji. Straty ciepła występują równieŝ poprzez izolację samego zbiornika. W przypadku 2 zbiorników zainstalowanych w ośrodku straty wynoszą około 3 kwh w ciągu doby.
Dla przykładu, jeŝeli ciepły glikol wprowadzali byśmy do zbiornika buforowego o pojemności załóŝmy 100 l wody o temperaturze początkowej 14 ºC i pominiemy straty oraz bezwładność ciepła wody w zbiorniku to w przeciągu godziny temperatura w zbiorniku będzie wynosić: Q Q C V ρ str T = + k PWODY T P [ºC] gdzie : Q str w przeciagu jednej godziny wynosi 166 W + ciepło tracone przez zbiornik 100 litrowy zaizolowany 20 W co daje w sumie 186 W. J J 3629 186 T s s k = + 14K 3 J 0,1 m kg 4290 1115 3 kg K 3600 s m T k = 39,9º C Jak widać z prostego obliczenia przy średnim nasłonecznieniu moŝna uzyskać w przeciągu godziny ponad 3 kwh ciepła, co pozwoli na ogrzanie 100 litrów wody do temperatury 34 stopni w ciągu godziny, słonce w miesiącach letnich jest w stanie grzać nawet do 9 godzin w ciągu dnia, jeŝeli mamy kolektory zainstalowane na stałe. Uzyskane ciepło w okresie nasłonecznienia magazynowane jest w zbiornikach przedstawionych na Fot 2. Podgrzana woda moŝe być uŝytkowana przez całą dobę, gdyŝ izolacja cieplna zbiorników, oraz system zapobiegający transportowania ciepłego czynnika roboczego na instalacje solarną zapobiega wystudzeniu zbiorników wody uŝytkowej.
Fot. 2 Zbiorniki wody uŝytkowej, system rurociągów transportowych dla cieplej i zimnej wody, a takŝe glikolu. Fot Dariusz Szyszka W Ośrodku zbierane są dane z pracy zainstalowanych urządzeń, takŝe kolektorów zapisując temperaturę wody w zbiornikach, temperaturę glikolu na wejściu do kolektorów i na wyjściu z kolektorów, a takŝe natęŝenie przepływu czynnika grzewczego, w odstępie co 1 sekunda. Na poniŝszych wykresach przedstawiono oraz przeanalizowano wybrany miesiąc pracy instalacji. Analizę przeprowadzono dla miesiąca maja oraz pierwszych 13 dni czerwca. W większości dni, w okresie lata moŝna powiedzieć, Ŝe kolektory są w stanie zaopatrzyć instalację ciepłej wody uŝytkowej w ciepło pokrywając zapotrzebowanie w 100% od kwietnia to końca września, a czasem jeszcze w październiku. 45 40 35 Temperatura [st C] 30 25 20 15 10 5 0 1. Mai. 6. Mai. 11. Mai. 16. Mai. 21. Mai. 26. Mai. 31. Mai. Data [dni godz 9-10] Rys. 2 Temperatura wody w zbiornikach buforowych dla ciepłej wody uŝytkowej ( ), róŝnica temperatur dla glikolu wchodzącego i opuszczającego kolektory słoneczne( ).
Średnia temperatura wody w zbiornikach magazynowych po okresie nocy w miesiącu maju 2009 roku wynosiła 36,7 ºC a średnia róŝnica temperatur czynnika grzewczego kształtowała się na poziomie 6,54 ºC, tak więc juŝ od godzin porannych nasza instalacja kolektorów słonecznych jest w stanie dostarczać 3,73 kwh ciepła w przeciągu godziny. 50 Temperatura [st C] 40 30 20 10 0 1. Mai. 6. Mai. 11. Mai. 16. Mai. 21. Mai. 26. Mai. 31. Mai. Data [ dni godz 12-13] Rys. 3 Temperatura wody w zbiornikach buforowych dla ciepłej wody uŝytkowej ( ), róŝnica temperatur dla glikolu wchodzącego i opuszczającego kolektory słoneczne( ), dla godzin południowych. Z przedstawionych danych na Rys. 3 wyliczono, Ŝe średnia temperatura wody w zbiornikach magazynowych w południe, w miesiącu maju 2009 roku wynosiła 41,3 ºC, a róŝnica temperatur czynnika grzewczego kształtowała się na poziomie 11,22 ºC, w godzinach południowych, kolektory są w stanie dostarczyć najwięcej energii: 6,41 kwh ciepła w przeciągu godziny. 55 50 Temperatura [st C] 45 40 35 30 25 1. Mai. 6. Mai. 11. Mai. 16. Mai. 21. Mai. 26. Mai. 31. Mai. Data [dni godz 19-9] Rys. 4 Temperatura wody w zbiornikach buforowych dla ciepłej wody uŝytkowej ( ) o godzinie 19:00 w stosunku do temperatury wody w tych zbiornikach o godzinie 9 :00 ( ).
Jak widać zmagazynowana energia promieniowania słonecznego w postaci ciepła jest w stanie zapewnić ciepłą wodę na potrzeby uŝytkowe w miesiącu maju. W pierwszych 13 dni ciepła pełna analiza uzyskanego ciepła z instalacji solarnej przedstawia się następująco: 50,0 37,5 Ciepło [kw] 25,0 12,5 0,0 1 3 5 7 9 11 13 Dni od 1 do 13 czerwca 2009r. Rys. 5 Ilość uzyskanego całkowitego ciepła [kwh] z instalacji solarnej ( ), ilość ciepła po odliczeniu strat przy transporcie oraz strat zbiornika ( ). Kolorem zielonym zaznaczono czystą zieloną energię, uzyskaną z kolektorów po odjęciu strat w czasie transportu, oraz magazynowania ciepła, po z sumowaniu uzyskano w przeciągu 1/3 miesiąca 270,011 kwh ciepła, straty wyniosły około 54 kwh oznacza to, Ŝe zainstalowana instalacja w przeciągu 1/3 miesiąca, przy aŝ 3 całkowicie nie słonecznych dniach dostarczyła 216 kwh ciepła. PrzemnaŜając ten wynik dla całego miesiąca jesteśmy w stanie uzyskać średnio 648 kwh ciepła z instalacji solarnej. Gdybyśmy chcieli uzyskać tą ilość ciepła w sposób tradycyjny ogrzewając wodę za pomocą elektryczność potrzebowalibyśmy zuŝyć 720 kwh energii elektrycznej, co przy obecnych cenach energii 0,47 groszy za kwh kosztowało by nas 338 zł i przyczyniło by się do wyprodukowania 640 kg CO 2. Korzystając z energii gazu ziemnego potrzebujemy jeszcze więcej ciepła ze względu na mniejszą sprawność jego przekazywania (860 kwh) co prowadzi do powstania emisji 311 kg CO 2. Aby uzyskać tą energię naleŝy spalić około 86,4 m 3 gazu ziemnego, przy jego obecnej cenie z opłatami przesyłowymi 1,48 zł/m 3 daje nam 127,87 zł. Stosując więc instalacje kolektorów słonecznych przyczyniamy się w znacznym stopniu do ochrony o środowisko naturalne, nie przyczyniając się do coraz silniej pogłębiającego się efektu cieplarnianego, dbając równieŝ o własną kieszeń, 338 zł za grzanie wody prądem elektrycznym i 127,87 zł przy ogrzewaniu wody gazem. Instalacja solarna będzie słuŝyć długie lata, zwraca się całkowicie w przeciągu kilku lat, pozwala na zaspokojenie naszych potrzeb związanych z ciepłą wodą, ale przede wszystkim na znaczącą redukcję emisji gazów cieplarnianych, co jest niezmiernie waŝne, bo pozwala na ochronę naszego środowiska, które utracimy nie chroniąc
go, a wtedy bardzo szybko się przekonamy Ŝe nie moŝna jeść pieniędzy, tak więc instalacja solarna moŝe być pewnością polecona jako doskonałe źródło ciepła w naszym domu. Na dwóch kolejnych wykresach przedstawiony został optymalny czas kiedy kolektory powinny rozpoczynać swoją pracę, kiedy naleŝy instalację zaprogramować na wyłączenie. 12:45 2500 wartość rozruchowa średnia między 7:00-12:00 średnia między 9:00-12:00 wartość Maksymalna do godz 12 wartość rozruchowa czas [ HH : MM ] 11:33 10:21 9:09 7:57 Wartość nasłonecznienia [W 2 ] 2000 1500 1000 500 6:45 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Dni od 1 do 18 czerwca 2009r. 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 Dni od 1 do 18 czerwca 2009r. Rys. 6 Czas włączenia pompy instalacji kolektorów dla Rys. 7 Wartość nasłonecznienia słonecznego poszczególnych dni. [W/m2] w dniach pomiarów, w momencie startu pracy solarów ( ), pomiędzy godziną 9 a 12 ( ), pomiędzy godziną 7 a 12 ( ), czerwone krzyŝyki na białym tle oznaczają wartość maksymalnego nasłonecznienia miedzy 7 a 12. Jak widać kolektory rozpoczynają swoją pracę około godziny 8, przy wartości napromieniowania około 200 W / m 2, jest to juŝ wystarczająca ilość aby przy powierzchni 14 m 2 uzyskiwać ciepło, automat steruje ruchem pompy na podstawie róŝnicy temperatur czynnika roboczego na wejściu i wyjściu. Jak dobrać instalację Instalacje solarną dobieramy w zaleŝności od ilości mieszkańców, ich zapotrzebowania na wodę, za zwyczaj na 4 osobową rodzinę wystarcza 250 litrowy zbiornik oraz dwa kolektory słoneczne o powierzchni absorbującej 4 m 2 w razie pytań odnośnie doboru instalacji proszę o kontakt. Typy kolektorów słonecznych Kolektory moŝemy podzielić na kolektory płaskie i kolektory próŝniowe, próŝniowe charakteryzują się większym uzyskiem energii w porównaniu z kolektorami płaskimi o około 30 %, sprawdzają się one równieŝ o wiele lepiej w okresie zimowym i przejściowym, kiedy to istnieje duŝa róŝnica temperatury zewnętrznej do temperatury czynnika roboczego oraz małe nasłonecznienie, próŝnia okazuje się w tedy doskonałym izolatorem. W okresie letnim osiągane temperatury i wydajność jest lepsza w przypadku kolektorów płaskich. Warto wspomnieć, Ŝe kolektor próŝniowy wymaga większej powierzchni całkowitej kolektora, aby uzyskać tą samą moc co kolektor płaski, który jednocześnie jest najczęściej stosowanym kolektorem w Polsce ze względu na cenę. W razie pytań, lub uwag na temat opracowania kolektorów proszę o kontakt mailowy dariusz.szyszka@zut.edu.pl