Ochrona instalacji solarnej przed zamarzaniem Jakie powinny być cechy czynników grzewczych dla instalacji solarnych? W jakich warunkach instalacja solarna może ulec zamarznięciu? Jak przygotować instalację solarną do sezonu zimowego? Funkcje ochronne sterowników instalacji solarnej www.solarblog.pl www.hewalex.pl
Instalacja solarna w sezonie zimowym Największa część Energii Promieniowania Słonecznego przypada na okres od kwietnia do września stanowi to około 80% rocznej ilości energii. Sezon zimowy również pozwala na pracę instalacji solarnej, która pełni wówczas funkcję częściowego dostarczania ciepła dla potrzeb np. podgrzewania ciepłej wody użytkowej, a czasem także dla wspomagania ogrzewania budynku. W warunkach klimatu środkowoeuropejskiego, instalacja solarna najczęściej jest przewidziana do pracy całorocznej, w związku z czym, wymaga się od niej właściwego funkcjonowania w każdych warunkach pogodowych. 2
Czy możliwe jest zamarznięcie instalacji solarnej? Zamarznięcie instalacji solarnej jest możliwe w określonych sytuacjach. Statystyki serwisowe częściej wspominają o uszkodzeniach kolektorów próżniowych niż płaskich. Są to jednak sytuacje rzadkie, wynikające najczęściej z zaniedbań i nieprawidłowej eksploatacji instalacji solarnej. Dla kolektorów próżniowych o bezpośrednim przepływie czynnika grzewczego, o konstrukcji sprzyjającej długotrwałemu gotowaniu glikolu, może dochodzić do degradacji glikolu utraty właściwości fizyko-chemicznych. W skrajnych sytuacjach, przy notorycznych przegrzewach w wysokiej temperaturze, może dojść do wytrącenia się stałych frakcji z glikolu. Z jednej, występuje ryzyko trwałego zablokowania przepływu w instalacji solarnej, a z drugiej strony, czynnik grzewczy ze zwiększonym udziałem wody będzie narażony na zamarznięcie. Na zamarzanie w okresie zimowym narażone będą w szczególności kolektory próżniowe z utrudnionym opróżnianiem się z glikolu w razie stagnacji, gdzie dochodzi do długotrwałego przegrzewania glikolu. Dotyczyć to może instalacji z ograniczonym odbiorem ciepła w okresie letnim, np. dla wspomagania ogrzewania budynku, z długimi przerwami w pracy (np. obiekty szkolne), itp.. 3
Degradacja glikolu pod wpływem przegrzewania Zastosowanie glikolu jako czynnika niezamarzającego w naszych warunkach klimatycznych pozwala na całoroczną pracę instalacji solarnej. Glikol propylenowy w prawidłowo dobranej i eksploatowanej instalacji, pozwala na wieloletnią pracę bez konieczności jego wymiany. W praktyce spotyka się instalacje z kolektorami płaskimi pracujące ponad 10 lat z tym samym czynnikiem grzewczym. Przykład badania glikolu Tyfocor LS dla długotrwałego podgrzewania w temperaturze 235 o C, po 1008 godzinach (42 doby), doszło do wytrącenia stałych frakcji i degradacji glikolu. Takie warunki pracy mogą występować w niektórych typach kolektorów próżniowych, w określonych warunkach długotrwałego ograniczenia odbioru ciepła w okresie letnim. Źródło: Entwicklung von thermischen Solarsystemen mit unproblematischem Stagnationsverhalten AAC INTEC 2003 4
Stagnacja w kolektorach, a ryzyko zamarzania Zachowanie się kolektora słonecznego w stanie stagnacji (brak odbioru ciepła) ma również związek z późniejszą jego pracą w okresie zimowym. Ochrona glikolu przed przegrzewaniem chroni jego właściwości, w tym odporność na zamarzanie. Konstrukcje z bardzo łatwym opróżnianiem Kolektor Hewalex KSR10 z dolnymi przyłączami, dla ochrony glikolu przed przegrzewami w stanach stagnacji (swobodny wypływ) Konstrukcje z trudnym opróżnianiem glikolu (zwiększona ilość pary, długotrwałe gotowanie) 5
Kolektory próżniowe heat-pipe, a zamarzanie Niskie temperatury zewnętrzne mogą wpływać negatywnie na niektóre typy kolektorów próżniowych. Szczególnie zima 2009/2010 przyniosła obserwację w Niemczech uszkodzeń kolektorów typu heat-pipe (rurka cieplna), których powodem było zamarzanie nośnika ciepła wewnątrz rurek. Zdarzenie było na tyle częste, że TÜV Rheinland wprowadził od 2011 roku dodatkowe badania odporności na niskie temperatury dla kolektorów próżniowych tego typu. W badaniach testowych (po 21 testach) 5 na 6 kolektorów różnych producentów, ulegało uszkodzeniom tego typu, problem jest więc istotny. - po 3 testach (10 h) - po 21 testach (10 h) Źródło: Frostprüfung von Heatpipe Vakuumröhrenkollektoren; (k)eine Frage des Wärmeträgerfluids! TÜV Rheinland 2011 6
Kolektory próżniowe heat-pipe, a zamarzanie Możliwość zamarzania nośnika ciepła w kolektorach próżniowych typu heat-pipe dotyczy szczególnie okresów kilkudniowych niskich temperatur zewnętrznych. Nieszczelna rurka cieplna pozbawiona nośnika ciepła przestaje działać. Sytuacja jest niewidoczna gołym okiem dla użytkownika. Dopiero w okresie letnim, gdy zauważalne mogą być niższe niż rok wcześniej uzyski ciepła (przy pęknięciu kilka rurek cieplnych heat-pipe), można podejrzewać jako przyczynę, uszkodzenia powstałe właśnie w okresie zimowym Kilka przypadków tego typu zostało opisanych przez użytkowników niemieckich na forum haustechnikdialog.de Test rur próżniowych heat-pipe w komorze chłodniczej (TÜV) 7
Stężenie (%) TERMSOL EKO Właściwości przeciwzamarzaniowe glikolu Dla całorocznej pracy instalacji solarnej niezbędne jest stosowanie czynników o niskiej temperaturze krzepnięcia. Temperatura, o C Przykładowo, TERMSOL EKO będący glikolem propylenowym stosowany jest w roztworze wodnym o stężeniu 44%, co zapewnia punkt krzepnięcia przy temperaturze -25 o C. Zapewnia to ochronę instalacji, nawet dla niższych temperatur zewnętrznych gdyż osiągnięcie temperatury -25 o C wewnątrz instalacji wymagało by niższych temperatur otoczenia, występujących w dłuższym czasie. 44% ciekły krzepnięcie TERMSOL EKO -25 o C 8
Kontrola glikolu punkt zamarzania Punkt zamarzania czynnika grzewczego (glikolu) w instalacji solarnej, można określić z użyciem refraktometru. Refraktometr jako przyrząd optyczny pozwala na podstawie pobranej próbki, ocenić właściwości przeciwzamarzaniowe glikolu. Wskazanie wyniku na skali bezpośrednio określa np. potrzebę wymiany glikolu, z uwagi na utratę jego właściwości i ryzyko zamarzania w wyższych temperaturach niż określona nominalnie (-25 o C) Źródło: droptestkits.com 9
Jak przygotować instalację solarną przed zimą? Prawidłowo eksploatowaną instalację solarną można uznać za przygotowaną zawsze do pracy w sezonie zimowym. Tak więc standardowe czynności przeglądowe, jakie producenci zalecają lub nakazują w określonych przedziałach czasu, uwzględniają potrzebę zapewnienia bezpiecznej pracy instalacji solarnej również przy niskich ujemnych temperaturach zewnętrznych. Zalecane jest dokonywanie przeglądów instalacji solarnej po sezonie letnim. Można go połączyć wygodnie z przeglądem kotła grzewczego przed sezonem grzewczym. Jeżeli latem wystąpiły przegrzewy w instalacji solarnej, mogące zagrozić właściwościom glikolu, to zostanie to przy przeglądzie zdiagnozowane, a glikol będzie musiał zostać wymieniony. Producenci standardowo określają trwałość glikolu na 3 5 lat, ale w instalacji prawidłowo eksploatowanej oraz konserwowanej (przeglądy), potrzeba wymiany glikolu może zaistnieć nawet powyżej 10 lat jego eksploatacji. 10
Funkcje ochronne sterowników Sterowniki instalacji solarnych posiadają często funkcję ochrony przed zamarzaniem, która polega najczęściej na wymuszaniu obiegu czynnika grzewczego w instalacji solarnej, przy spadku temperatury w kolektorach słonecznych, poniżej nastawionego progu. Przykładowo sterownik G-422 firmy Hewalex włącza pompę obiegu solarnego, gdy temperatura w baterii kolektorów słonecznych obniży się poniżej nastawionej krzepnięcia czynnika grzewczego i gdy temperatura mierzona przez czujnik podgrzewacza ciepłej wody użytkowej, będzie wyższa niż 7 o C. Ciepło odbierane wówczas z wody użytkowej, będzie chroniło czynnik grzewczy przed zamarznięciem. Funkcja ochronna w standardowych instalacjach solarnych użytkowanych w Polsce nie jest jednak wykorzystywana. Służy instalacjom użytkowanym z wodą jako czynnikiem grzewczym - w krajach południowej Europy. 11
Podsumowanie i wnioski Ochrona instalacji solarnej przed zamarzaniem jest powiązana w znacznej mierze ze sposobem jej eksploatacji. Nieprawidłowy dobór i przewymiarowanie powierzchni kolektorów w stosunku do potrzeb cieplnych w sezonie letnim, może prowadzić do przegrzewania i utraty właściwości przeciwzamarzaniowych glikolu. W szczególności więc należy dbać o systematyczne przeglądy instalacji solarnych z kolektorami próżniowymi, a także instalacji o ograniczonym odbiorze ciepła w sezonie letnim, np. dla wspomagania ogrzewania, pracujących w obiektach szkolnych (z przerwą wakacyjną), itp.. Zagrożenie zamarzaniem dotyczyć może również niektórych typów kolektorów słonecznych na co wskazują na przykład badania prowadzone przez TÜV Rheinland dla kolektorów próżniowych, po zaobserwowanych w Niemczech zdarzeniach uszkodzeń tego typu kolektorów. Podobne zdarzenia miały miejsce także w Polsce, według informacji uzyskanych od wykonawców instalacji solarnych, ale jest to jeszcze problematyka mało znana i zauważana przez użytkowników instalacji. 12
Hewalex Ponad 20-letnie doświadczenie na rynku polskim i zagranicznym więcej prezentacji >>> www.solarblog.pl www.hewalex.pl
Hewalex Ponad 20-letnie doświadczenie na rynku polskim i zagranicznym Kompletne rozwiązania oparte o kolektory słoneczne i pompy ciepła Zastosowanie w obiektach mieszkalnych i użytkowych więcej prezentacji >>> www.solarblog.pl www.hewalex.pl