Kolektory słoneczne - prawidłowa instalacja

Aby instalacja solarna działała poprawnie, konieczne jest prawidłowe jej zaprojektowanie i budowa, a także zapewnienie optymalnych parametrów pracy. Niestety czasami zdarzają się błędy powodujące zmniejszenie efektywności systemu solarnego, a w konsekwencji wydłużenie okresu zwrotu nakładów inwestycyjnych.

Najczęstszą przyczyną błędów w instalacjach solarnych jest niedostateczna wiedza lub brak doświadczenia i odpowiedniego przygotowania ze strony instalatorów takich systemów. Innym powodem może być dążenie do minimalizacji kosztów inwestycyjnych, przejawiające się wybieraniem tańszych (często gorszych) rozwiązań. W efekcie instalacja solarna pracuje z dużo mniejszą efektywnością niż ta przewidziana w projekcie. Dlatego warto poznać potencjalne błędy i wyeliminować je jeszcze przed przystąpieniem do budowy instalacji.

Błędy w doborze ilości kolektorów

Kolektory słoneczne ©VIESSMANN

Podstawowym parametrem decydującym o doborze mocy instalowanych kolektorów słonecznych powinno być rzeczywiste dobowe zużycie ciepłej wody użytkowej. Jego określanie tzw. metodą spod grubego palca prowadzi często do złego zwymiarowania instalacji. Skutkuje to przegrzaniem instalacji (ze względu na zbyt dużą powierzchnię absorberów) albo jej niedogrzaniem (zbyt mała ilość absorberów). Przekłada się to w sposób bezpośredni na okres zwrotu inwestycji, który jest jednym z kluczowych parametrów przy podejmowaniu decyzji o zakupie instalacji solarnej.

Zła jakość kolektorów słonecznych

Głównym kryterium doboru elementów instalacji solarnej nie powinna być cena. Szczególną uwagę należy zwrócić na jakość kolektorów słonecznych — najlepiej, aby była potwierdzona odpowiednim certyfikatem, który będzie źródłem informacji o jakości i parametrach danego urządzenia. Wysoką jakość kolektorów oraz procesu ich produkcji potwierdza europejski certyfikat Solar Keymark, utworzony przez Europejski Komitet Normalizacyjny (CEN), a także Europejski Komitet Normalizacji Elektrotechnicznej (CENELEC). Oznaczenie to posiadają uznane międzynarodowe marki oraz niektórzy producenci krajowi.

Niewłaściwe usytuowanie kolektorów słonecznych

Ważnym aspektem poprawnej pracy instalacji solarnej jest właściwe usytuowanie kolektorów słonecznych. By osiągać maksymalny uzysk energetyczny, powinny być zwrócone w kierunku południowym (z odchyleniem nie większym niż ±15°) oraz nachylone do poziomu pod kątem 30–60° (w warunkach polskich, w ujęciu całorocznym, optymalne warunki pracy zapewnia kąt 40°). Rozwiązania odbiegające od wymienionych standardów nie pracują z maksymalną wydajnością, np. z kolektorów skierowanych na stronę wschodnią lub zachodnią można uzyskać maksymalnie 80 proc. energii w porównaniu do tych usytuowanych w kierunku południowym.

Ponadto istotne jest ustawienie kolektorów w taki sposób, aby przy najniższym położeniu słońca nie dochodziło do ich zacienienia. Należy unikać także zasłaniania kolektorów przez inne obiekty, m.in. elementy budowlane, sąsiednie budynki, drzewa. W przeciwnym razie, poza obniżeniem wydajności pracy instalacji solarnej (a nawet wychładzaniem zasobników CWU), może nastąpić zjawisko przyspieszonego zużycia rurek przepływowych wskutek tłoczenia zimnej cieczy o dużej gęstości.

Brak zabezpieczenia kolektorów słonecznych

Projektując instalację solarną, warto pamiętać, że kolektory słoneczne narażone są na działanie czynników atmosferycznych w ciągu całego roku. Istotna jest więc ich ochrona przed przegrzaniem w sytuacji zbyt małego odbioru ciepła w lecie (np. przez zastosowanie odpowiedniej rolety), a także zabezpieczenie na okres bezczynności, gdy zakłada się wykorzystanie kolektorów jedynie w okresie letnim (np. przez przykrycie czy opróżnienie instalacji). Brak właściwego zabezpieczenia może skutkować uszkodzeniem kolektorów.

Niewłaściwy montaż

Panel słoneczny ©GALMET

Powierzchnia dachu, na której przewiduje się zlokalizowanie kolektorów słonecznych, powinna posiadać minimalną ilość elementów utrudniających instalację (kominów, szyb wentylacyjnych czy świetlików). W przeciwnym razie może wystąpić konieczność rozbicia zestawu kolektorów na małe pola. To zwiększa koszty inwestycji i zmniejsza sprawność całego systemu. Obniżenie efektywności pracy następuje także wskutek nieprawidłowego zaprojektowania układu przewodów, który może powodować złe wyrównywanie przepływów między kolektorami oraz wysokie straty ciepła.

Ponadto brak kompensacji wydłużeń cieplnych oraz sztywne połączenia baterii kolektorów słonecznych z przewodami rozdzielającymi, mogą być przyczyną deformacji i pęknięć powierzchni kolektorów, a także ubytków czynnika grzewczego (np. rozszczelnienie przez mróz na pęczki wsporcze).

Błędy w prowadzeniu przewodów

Aby uzyskać wymagany przepływ masowy czynnika (przy zachowaniu odpowiednich prędkości), rury powinny posiadać odpowiednio dobraną średnicę. Muszą być odporne na działanie wysokiej temperatury, czynników atmosferycznych oraz cieczy solarnej. W dużych instalacjach stosuje się głównie rury stalowe, a w mniejszych — rury z miedzi lub ze stali nierdzewnej. W bezpośrednim sąsiedztwie kolektorów nie wolno stosować rur z tworzyw sztucznych, które są podatne na wydłużenia i posiadają mniejszą odporność temperaturową.

Istotne jest także prawidłowe izolowanie przewodów. Źle dobrana izolacja bądź jej brak powoduje duże straty ciepła, co przekłada się na obniżenie sprawności instalacji. Z kolei zastosowanie przeznaczonej do instalacji CO izolacji polietylenowej może spowodować jej stopienie w momencie przegrzania czynnika w instalacji.

Opory przepływu

Kolektory słoneczne różnią się budową, a w związku z tym również wymogami montażowymi. Do podstawowych typów zalicza się kolektory z absorberem o budowie meandrowej (w formie jednej wielokrotnie wygiętej rury, przez którą przepływa czynnik) oraz kolektory z absorberem o wielu równoległych rurach (tzw. budowa harfowa). Najważniejszą różnicą w przypadku obu tych rozwiązań są różne opory przepływu — w przypadku kolektorów meandrowych są znacznie większe. Z tego powodu istotne jest dostosowanie się do zaleceń producentów w kwestii podłączenia rur zasilania i powrotu. Taki sam sposób podłączenia obu rodzajów kolektorów jest błędny i przyczynia się do znacznego spadku ich wydajności.

Zamiana zasilania z powrotem

Istotnym błędem w budowie instalacji solarnej jest zamiana zasilania z powrotem. Może ona spowodować niemalże całkowite zablokowanie pracy instalacji — dopływający do kolektora zimny czynnik, trafiając na umieszczony na wylocie czujnik temperatury, wyłączy pompę obiegową. Istotne jest także właściwe umieszczenie czujnika temperatury — niedokładny pomiar temperatury wpływa na obniżenie wydajności instalacji.

W prawidłowo zaprojektowanej instalacji temperatura kolektora nie przekracza znacząco temperatury wody ogrzewanej w podgrzewaczu (przy silnym nasłonecznieniu jest to różnica rzędu kilkunastu stopni). Warto pamiętać, że zdecydowanie wyższa temperatura kolektora od temperatury wody w podgrzewaczu oznacza brak poprawnego odbioru ciepła. Dodatkowo każde zwiększenie temperatury kolektorów, w odniesieniu do otoczenia, będzie powodować wyższe straty i spadek jego sprawności.

Odbiór ciepła

Panel słoneczny ©HOVEN

Warunkiem koniecznym poprawnej pracy instalacji solarnej jest prawidłowy dobór zarówno pojemności zasobnika, jak i powierzchni wężownicy w podgrzewaczu w stosunku do powierzchni kolektorów słonecznych. Zasobnik solarny powinien być promieniowania słonecznego bez częstego zatrzymywania pompy i doprowadzania do wrzenia czynnika w kolektorach. Z drugiej strony pojemność zasobnika powinna być na tyle skorelowana z powierzchnią kolektorów, aby były one w stanie dogrzać wodę do określonego w projekcie poziomu. Istotne jest także prawidłowe umiejscowienie wężownicy w zasobniku — powinna ona znajdować się na jego spodzie. Dodatkowa grzałka elektryczna lub druga wężownica z innego źródła (np. kotła gazowego) powinna być umieszczona u góry zasobnika, by w newralgicznych momentach podgrzewać głównie tę część wody, która jest aktualnie pobierana do instalacji.

Dobór pojemności naczynia wzbiorczego

Kolejnym ważnym aspektem jest prawidłowy dobór i montaż naczynia wzbiorczego, które zapewnia kompensację temperaturowej rozszerzalności cieczy solarnej w instalacji. Trzeba pamiętać, że wraz ze wzrostem temperatury, rośnie ciśnienie w układzie zamkniętym, a jego nadmierny wzrost może spowodować częste otwieranie się zaworu bezpieczeństwa i wycieki z instalacji. Pojemność naczynia wzbiorczego powinna być dobrana w taki sposób, aby utrzymać stałe ciśnienie w instalacji (kompensacja rozszerzalności cieczy). Ponadto, w przypadku kolektorów z funkcją samodzielnego opróżniania się w stanach stagnacji, pojemność naczynia powinna być powiększona o sumaryczną pojemność kolektorów słonecznych.

Napełnianie instalacji

Jednym z najczęstszych powodów zakłóceń pracy instalacji solarnej jest jej zapowietrzenie. Jego przyczyną jest nieprawidłowe napełnianie i odpowietrzanie. Instalacja może się zapowietrzać w przypadku występowania stosunkowo dużych prędkości przepływu cieczy w instalacji solarnej (zastosowanie pompy o zbyt dużej mocy).

Regulacja pracy instalacji

Ważnym aspektem prawidłowej pracy instalacji solarnej jest jej właściwa regulacja, która najczęściej polega na określeniu różnicy temperatury kolektora słonecznego i wody w podgrzewaczu. W przypadku złej izolacji przewodów oraz dużej odległości pomiędzy kolektorami a zasobnikiem, przy nastawieniu zbyt małej różnicy temperatury, straty na rurociągu mogą powodować chłodzenie wody w podgrzewaczu. Z kolei zbyt duża różnica temperatury może ograniczyć ilość wykorzystywanej energii słonecznej oraz powodować częste włączanie i wyłączanie pompy obiegu solarnego.

Unikanie wymienionych wyżej błędów da gwarancję uzyskania wysokich osiągów energetycznych, a w dłuższej perspektywie zwrot poniesionych nakładów inwestycyjnych. Warto wiedzieć, że wiele firm oferuje szkolenia dla instalatorów, które pozwalają uzyskać odpowiednią wiedzę i umiejętności, przydatne w realizacji praktycznych zagadnień budowy instalacji solarnych.

Krzysztof Sornek
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza
Wydział Energetyki i Paliw

artykuł pochodzi z kwartalnika
Kreator Projekty wydanie 04/2012
więcej o kwartalniku czytaj na
Kreator Projekty.pl