Słoneczne instalacje podgrzewania ciepłej wody użytkowej

Słoneczne instalacje podgrzewania ciepłej wody użytkowej

Zespoły lub pojedyncze moduły płaskich kolektorów słonecznych są najczęściej wykorzystywane w słonecznych instalacjach przygotowania ciepłej wody użytkowej, których podstawowym poza kolektorem słonecznym elementem instalacji jest zbiornik magazynujący ciepłą wodę.

W Polsce systemy te mogą być stosowane w domach jednorodzinnych, obiektach użyteczności publicznej (szkoły, szpitale), ośrodkach rekreacyjnych, sportowych, schroniskach jak również do podgrzewania wody w basenach kąpielowych otwartych i krytych. Odpowiednie do zapotrzebowania i warunków klimatycznych zaprojektowanie systemu i jego użytkowanie pozwala na osiągnięcie założonych efektów energetycznych i ekonomicznych.

Instalacja słoneczna musi być dostosowana do potrzeb odbiorcy oraz warunków związanych np. z usytuowaniem obiektu mieszkalnego oraz musi być również dostosowana do konwencjonalnego systemu grzewczego.

Kryterium klasyfikacji instalacji słonecznych jest na ogół charakter przepływu czynnika roboczego w instalacji. Instalacje, w których ruch ma charakter naturalnego wywołanego konwekcją swobodną nazywamy termosyfonowymi (albo pasywnymi), gdy pompą cyrkulacyjną aktywnymi.

Instalacje termosyfonowe

Na skutek zjawiska konwekcji naturalnej podgrzana w kolektorze słonecznym woda dociera do izolowanego cieplnie zbiornika ciepłej wody użytkowej (zasobnika ciepła), a zimniejsza woda ze zbiornika napływa do dolnej części kolektora promieniowania słonecznego. Dla tych podgrzewaczy położenie zbiornika magazynującego ponad wylotem kolektora jest ważnym parametrem projektowym. Aby uniknąć ryzyka wystąpienia przepływu odwrotnego w instalacji termosyfonowej, zbiornik akumulacyjny powinien być zlokalizowany ok. 30-40 cm powyżej górnej krawędzi kolektora. Lepsze działanie każdej instalacji zapewni zbiornik wysmukły (o dużym stosunku wysokości zbiornika do jego średnicy).
 




Schemat termosyfonowej słonecznej instalacji do podgrzewania ciepłej wody użytkowej

Przy wykonywaniu lub adaptacji zbiornika, istotne jest zwrócenie uwagi na położenia króćców wlotowych i wylotowych, tak, aby:

• Wlot wody dopływającej z kolektora znajdował się w pobliżu górnej krawędzi zbiornika. Jeżeli jednak w zbiorniku usytuowany jest wspomagający układ dogrzewu wody (np. grzałka elektryczna), wówczas wlot powinien być zawsze poniżej grzałki.

• Króciec poboru wody ciepłej ze zbiornika był zawsze usytuowany powyżej wlotu wody dopływającej z kolektora. Jest to szczególnie istotne w instalacjach bezciśnieniowych i zapobiega przerwaniu obiegu wody przez kolektory, co mogłoby doprowadzić do ich zniszczenia.

• Odpływ wody ze zbiornika do kolektora, jak również króciec uzupełniający zimną wodą ubytki wody ze zbiornika, powinny być zlokalizowane możliwie blisko dna zbiornika.

Instalacje termosyfonowe można stosować w polskich warunkach klimatycznych w obiektach turystycznych i innych użytkowanych w sezonie letnim.

Instalacje aktywne

W tego typu instalacji przepływ czynnika roboczego przez kolektor jest wymuszony mechanicznie, poprzez zastosowanie pompy cyrkulacyjnej w tzw. obiegu kolektorowym, a jego wielkość może być optymalizowana dla konkretnych, danych warunków zewnętrznych (wielkość i czas odbioru ciepłej wody użytkowej, wartości nasłonecznienia) jak i w zależności od rodzaju instalacji. Zastosowanie pompy pozwala na usytuowanie zbiornika wodnego poniżej kolektorów promieniowania słonecznego.

Podstawowy, aktywny słoneczny system grzewczy obejmuje następujące elementy: kolektor(y) promieniowania słonecznego, pompę cyrkulacyjną, zasobnik ciepłej wody, armaturę i układ automatyki.

Aktywne (z pompą cyrkulacyjną) słoneczne systemy do podgrzewania ciepłej wody użytkowej są klasyfikowane jako pośrednie i bezpośrednie. W bezpośrednich systemach (podobnie jak w poprzednio opisanych instalacjach termosyfonowych), przez kolektory słoneczne przepływa woda użytkowa, a w żadnym miejscu układu, nie występuje wymiennik ciepła. Systemy aktywne bezpośrednie, podobnie jak instalacje termosyfonowe mogą być stosowane w obiektach np. rekreacyjnych użytkowanych w okresie letnim. W okresach występowania częstych i długotrwałych przymrozków należy usunąć wodę z obiegu kolektorowego takiej instalacji.
 


a)                                                                 b)

Schematy ideowe aktywnych (z pompą cyrkulacyjną) słonecznych systemów podgrzewania ciepłej wody użytkowej:

a) system aktywny bezpośredni,
b) system aktywny pośredni

Systemy aktywne pośrednie posiadają wymiennik ciepła oddzielający obieg kolektorowy (przepływa w nim czynnik odbierający ciepło w kolektorach słonecznych) od obiegu wody użytkowej. Niezamarzającymi czynnikami roboczymi przepływającymi przez kolektor mogą być roztwory glikolów etylenowych, węglowodorów, olejów silikonowych. Pośrednie systemy znajdują więc przede wszystkim zastosowanie w strefach klimatycznych, gdzie może nastąpić zamarzanie wody. W polskich warunkach klimatycznych ten rodzaj systemu może być szeroko rozpowszechniony. Ułatwia on eksploatację instalacji, gdyż nie powoduje konieczności spuszczania wody w okresie występowania ujemnych temperatur zewnętrznych (obieg wody użytkowej wraz ze zbiornikiem i wymiennikiem powinien być umieszczony wewnątrz budynku), a również umożliwia korzystanie z instalacji w okresie wczesno - wiosennym i późno - jesiennym, gdy występują przymrozki, ale wartości gęstości strumienia energii promieniowania słonecznego mogą być duże i zachęcać do korzystania z systemu. Możliwa jest oczywiście i praca instalacji z niezamarzającym czynnikiem roboczym również zimą przy korzystnych warunkach nasłonecznienia.

Mieszanina niezamarzająca zastosowana jako czynnik roboczy ma również mniejsze właściwości korozyjne w porównaniu z wodą sieciową podawaną w sposób ciągły na kolektor. W kolektorach słonecznych, gdzie absorber jest często konstrukcyjnie słabym elementem, ma to duże znaczenie. Również istotne jest to, że pozostająca w ciągu całego roku w obiegu kolektorowym mieszanina nie naraża absorbera kolektora na intensywne naprężenia termiczne, jakim ulegałby na przykład zimą nie napełniony czynnikiem roboczym przy silnym nasłonecznieniu. Gdy w obiegu brak jest czynnika odbierającego ciepło, zalecane jest przykrywanie kolektorów nieprzezroczystą przesłoną w celu osłony absorbera przed promieniowaniem słonecznym powodującym duże dylatacje cieplne. Wrażliwość kolektora na takie dylatacje zależy od jego konstrukcji i rośnie wraz ze zwiększaniem się liczby połączeń spawanych (szczególnie różnych materiałów).

W układach pośrednich stosuje się najczęściej tzw. wymiennikowe zasobniki ciepłej wody użytkowej. Wymiennik ciepła może mieć formę spiralnej wężownicy umieszczonej wewnątrz zasobnika ciepłej wody użytkowej lub nawiniętej na obwodzie zbiornika akumulującego.

Zaprezentowano schemat funkcjonalny aktywnego, pośredniego systemu, z wydzielonym wymiennikiem ciepła. Systemy słoneczne powinny być systemami towarzyszącymi tradycyjnym instalacjom podgrzewania ciepłej wody użytkowej, gdyż same nie mogą zagwarantować pełnego pokrycia całorocznego zapotrzebowania, w tym również latem ze względu na możliwość sekwencyjnego występowania ciągu pochmurnych, bezsłonecznych dni.




Schemat funkcjonalny instalacji z obiegiem wymuszonym (system aktywny pośredni)
[Willimas Richard. J., Design and Installation of Solar Heating and Hot Water Systems, Ann Arbor Science Publishers, 1983]

Wyboru rodzaju instalacji dokonuje się mając na względzie:

• określone zastosowanie (determinujące strukturę odbioru ciepłej wody użytkowej),

• przewidywany okres (w ciągu roku) jej wykorzystywania,

• rodzaj i istniejące elementy konwencjonalnej instalacji grzewczej i ostatecznie rachunek ekonomiczny.

Wymiarowanie słonecznego systemu podgrzewania ciepłej wody użytkowej

W każdym przypadku do określenia potrzebnej powierzchni kolektorów (ich ilości) należy się odnieść do zapotrzebowania uwarunkowanego ilością osób i przypadającym na osobę zużyciem ciepłej wody użytkowej oraz ilością energii docierającej w danym rejonie do kolektora. Zalecane jest projektowanie instalacji słonecznej (czyli przede wszystkim przyjęcie powierzchni kolektorów słonecznych), przy założeniu, że powinna ona pokryć 60-70 % zapotrzebowania rocznego na ciepłą wodę użytkową (90-100 % latem).

Właściwy dobór systemu słonecznego wymaga przeprowadzenia stosownych obliczeń. Najdokładniejsze są symulacje numeryczne uwzględniające warunki klimatyczne i pełne charakterystyki elementów instalacji.

Stosowana natomiast jest powszechnie przybliżona metoda projektowania instalacji słonecznych tzw. metoda F-CHART, która pozwala na szacunkową ocenę stopnia pokrycia potrzeb cieplnych z wykorzystaniem energii słonecznej w okresie długoterminowym. Wymaga ona posiadania odpowiednio przygotowanego zestawu danych meteorologicznych.

Przykład obliczeniowy

Przykładowe wyniki obliczeń stopnia pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową, przy założeniach jak niżej, uzyskane metodą F-Chart, przedstawiono na rysunku.

Założenia do obliczeń:

• sumaryczna powierzchnia pochłaniająca kolektorów: A = 3,5 m2 (typowe płaskie kolektory z powierzchnią selektywną);

• pojemność zbiornika akumulacyjnego: 300 litrów;

• wymagana temperatura wody ciepłej: 450C;

• temperatura wody zasilającej (wodociągowej): zmienna od 100C zimą do 150C latem;

• współczynnik alfa1 równy jest 0,8 (maksymalna sprawność kolektorów);

• średni współczynnik strat ciepła z kolektora do otoczenia, UL = 3,76 W X m - 2 X K - 1 ;

• kolektory pochylone są pod kątem 45⁰ względem poziomu i skierowane na południe;

• zużycie ciepłej wody wnosi 250 litrów na dobę.

 



Stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową przez instalacje słoneczną o powierzchni kolektorów 3,5 m2

Na poniższym wykresie zaprezentowano procentowe pokrycie zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową (4 osoby, 60 l/dzień/osobę) w różnych okresach czasu w zależności od powierzchni zainstalowanych kolektorów. Biorąc pod uwagę stopień pokrycia zapotrzebowania (stanowiący iloraz ciepła uzyskanego z instalacji i zapotrzebowania) w ciągu całego roku, widzimy niemożliwość pokrycia całkowitego, rocznego zapotrzebowania jak i wyraźnie niecelowość zwiększania powierzchni kolektorów ponad pewną wielkość.

Wartości nasłonecznienia w miesiącach zimowych (listopad, grudzień, styczeń, luty) są bardzo małe, a również wtedy maleje sprawność instalacji. W okresie tym nawet bardzo duża powierzchnia kolektorów słonecznych nie zapewni pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową. Należy podkreślić, że zwiększanie ilości kolektorów nie spowoduje proporcjonalnego wzrostu ilości uzyskanej energii. Zjawisko tzw. przewymiarowania instalacji jest więc z punktu widzenia ekonomicznego niekorzystne, gdyż kosztem większego nakładu inwestycyjnego uzyskujemy niewielki efekt w postaci nieproporcjonalnie małego przyrostu mocy cieplnej instalacji.


Stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową (dla 4 osób, dla różnych okresów czasu) przez instalację słoneczną, w zależności od powierzchni kolektorów promieniowania słonecznego
[Wnuk R., Wnuk R., Słoneczne systemy grzewcze, stron 42. Remonty i modernizacja budynków, M. Abramowicz (red.) - monografia wymienno-kartkowa, Wyd. Verlag DASHÖFER, Warszawa 2001]

Przy doborze wielkości powierzchni kolektorów promieniowania słonecznego możliwe jest bazowanie na pewnych przyjętych standardach (np. często producenci sugerują dobór powierzchni kolektora o wielkości 1,5m2 na osobę, co jest w standardowej instalacji poprawne).

Możliwe jest uzyskanie ok. 400 kWh ciepła rocznie z 1 m2 typowego płaskiego kolektora w instalacji słonecznego podgrzewania ciepłej wody użytkowej w średnich polskich warunkach klimatycznych.

Propozycja słonecznego całorocznego systemu ciepłej wody użytkowej dla typowego domku jednorodzinnego

[Wnuk R., Wnuk R., Słoneczne systemy grzewcze, stron 42. Remonty i modernizacja budynków, M. Abramowicz (red.) - monografia wymienno-kartkowa, Wyd. Verlag DASHÖFER, Warszawa 2001]

Wobec wciąż relatywnie dużych kosztów instalacji słonecznych, popularność zyskują metody wykonywania instalacji metodą "zrób to sam", dzięki którym koszty mogą być istotnie zredukowane. Przedstawiono system, w którego realizacji maksymalny udział może mieć użytkownik instalacji. Elementy systemu, z wyjątkiem kolektorów są elementami tradycyjnych instalacji ciepłej wody użytkowej. Proponuje się słoneczny system aktywny, pośredni podgrzewania ciepłej wody użytkowej, wykorzystywany w ciągu całego roku.




Całoroczna instalacja do podgrzewania ciepłej wody użytkowej wykorzystująca energię promieniowania słonecznego dla jednorodzinnego budynku mieszkalnego

Specyfikacja elementów przykładowej słonecznej instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej Nr Nazwa Uwagi

Nr	Nazwa	Uwagi
1	Zestaw kolektorów promieniowania słonecznego	Wyrób handlowy - ilość sztuk zależy od jednostkowej powierzchni pojedynczego kolektora (modułu) i zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową
2	Odpowietrznik automatyczny	wyrób handlowy
3	Zawór wodociągowy kulowy	wyrób handlowy
4	Wentyl	wyrób handlowy
5	Manometr	Ciśnienie robocze w instalacji ok. 2,2 bar
6	Kurek wodowskazowy mosiężny	wyrób handlowy
7	Wodowskaz	wyrób handlowy
8	Zbiornik wyrównawczy	Wyrób handlowy lub zaadoptowany
9	Zawór bezpieczeństwa sprężynowy mosiężny gwintowany	wyrób handlowy
10	Zawór zwrotny	wyrób handlowy
11	Pompa cyrkulacyjna	wyrób handlowy
12	Nasadka na wąż	wyrób handlowy
13	Zbiornik ciepłej wody użytkowej z wężownicą	wyrób handlowy lub zbiornik zaadoptowany
14	Sterownik pompy	wyrób handlowy
15	Rury (miedziane lub z tworzywa sztucznego) izolowane cieplnie	średnica określona ze względu na prędkości przepływu wynikające z obliczeniowego wydatku czynnika roboczego

Czynnik roboczy znajduje się pod ciśnieniem ok. 2,2 bar. Rozwiązanie takie zabezpiecza go przed odparowaniem w sytuacjach awaryjnych (np. uszkodzenie pompy obiegowej), ale jednocześnie znacznie zmniejsza jego ubytki w okresie eksploatacji.

Przepływ mieszaniny wody i glikolu może być wymuszony specjalną pompą cyrkulacyjną na prąd stały generowany w ogniwie fotowoltaicznym.

Zalety zastosowania ogniwa fotowoltaicznego do zasilania pompy cyrkulacyjnej są następujące:

• brak koniecznego w innym przypadku zewnętrznego zasilania energią elektryczną;

• eliminacja możliwości awarii wywołanej przerwą w dostawie elektryczności przy dużym nasłonecznieniu;

• bezpośredni związek pomiędzy wielkością strumienia energii promieniowania słonecznego, a natężeniem przepływu czynnika roboczego;

• wyeliminowanie elektronicznego układu sterowania, którego funkcję pełni ogniwo.

Kompleksowa instalacja grzewcza do c.o. i c.w.u

Coraz więcej firm sprzedających i instalujących systemy słoneczne oferuje rozwiązania wielofunkcyjne, czyli realizujące funkcje c.w.u. i c.o. Coraz częściej instalacje tego typu wyposażone są w kolektory próżniowe). Można zauważyć, że ze względu na poziom temperatury, systemy słoneczne do c.o. są nawet bardziej wskazane niż do c.w.u. Przy niskotemperaturowych systemach grzewczych czynnik roboczy w obiegu c.o. może mieć temperaturę na poziomie 40o C, natomiast w systemie c.w.u. wymagana temperatura jest wyższa (ok. 50o C). Ważna jest wielkość obciążeń grzewczych i ich koherentność z wydajnością źródła słonecznego. Wielkość zapotrzebowania na energię można znacznie zmniejszyć, stosując odpowiednie energooszczędne rozwiązania materiałowe, technologiczne i instalacyjne, oraz architektoniczne pasywne systemy słoneczne. Jednakże ewidentna jest niekoherentność występowania promieniowania słonecznego i zapotrzebowaniem na ciepło do ogrzewania pomieszczeń. Wykorzystanie systemu słonecznego do podgrzewania pomieszczeń wymaga znacznie większych powierzchni kolektorów słonecznych, niż w przypadku instalacji jedynie do podgrzewania c.w.u., bardziej skomplikowanego systemu, a w konsekwencji znacznie większych nakładów inwestycyjnych. Przykłady schematów ideowych kompleksowych instalacji, które poza źródłami konwencjonalnymi energii wykorzystujących energię promieniowania słonecznego od ogrzewania, podano na poniższych rysunkach.


Typowy słoneczny do ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej składający się z pięciu (z pompami) obiegów cyrkulacyjnych

Aspekty ekonomiczne na przykładzie słonecznej instalacji podgrzewania ciepłej wody użytkowej

Cena zestawu kolektorów stanowi średnio ok. 40% ceny kompletnej instalacji słonecznej do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Udział pozostałych składników instalacji w całkowitych kosztach wynosi:

zasobnik ciepłej wody użytkowej 15 - 25 %
regulator, pompa obiegowa, odpowietrzniki, armatura 15 - 20 %
montaż 20 - 30 %

Możliwość zmniejszenia kosztów instalacji jest znaczna, szczególnie w zakresie montażu. Stąd realizacja instalacji na zasadzie "zrób to sam", przy wykorzystaniu istniejącego już zasobnika ciepłej wody użytkowej, może znacznie polepszyć wskaźniki ekonomiczne.

Podstawową ocenę efektywności ekonomicznej można przeprowadzić w oparciu o prosty okres zwrotu nakładów. Jest to czas potrzebny do odzyskania początkowych nakładów poniesionych na realizację inwestycji, dzięki oszczędności energii elektrycznej lub paliwa konwencjonalnego.

Ogólnie koszt paliwa konwencjonalnego do podgrzewania ciepłej wody użytkowej w ciągu całego roku jest iloczynem następujących wielkości:

zużycie [kg/osobę/dzień] *
ilość osób * różnica temperatur wody ciepłej i zimnej [oC] *
* ciepło właściwe wody [J/(kgK)] * (1/wartość opałowa paliwa) [kg/J] *
* (1/sprawność urządzenia) * cena energii [zł/kg] * ilość dni w roku [dni/rok] =
= koszt paliwa [zł/rok]

W przypadku wykorzystania bezpośrednio energii elektrycznej do podgrzewania wody (ogrzewanie oporowe), wyliczenie kosztów będzie następujące:

60 [l/osobę /dzień] * 4 * (50-10) [K] * 1,16 [Wh/(kgK)] * 0,001 [kWh/Wh] * (1/0.98) * cena energii elektrycznej [zł/kWh] * 365 [dni/rok]

Przyjmując odpowiadającą taryfie G12 ( a możliwością podziału pracy 20% - dzień, 80% - noc) cenę energii elektrycznej 0,2155 zł/kWh, otrzymamy koszt ogrzewania elektrycznego wody 894 zł/rok.

Przy założeniu, że system słoneczny pokrywa 65% rocznego zapotrzebowania, koszty zaoszczędzonej energii elektrycznej wynoszą 581 zł/rok. W przypadku możliwości wykorzystania z różnych taryf w opłatach za energię, oszczędności te będą mniejsze.

Do obliczeń prostego okresu zwrotu nakładów przyjęto cenę kompleksowej instalacji na przykładzie oferty firmy HEWALEX .

Zestawienie kosztów instalacji do podgrzewania c.w.u.

Nazwa	Opis	Cena [PLN]
Kolektor słoneczny KS-2000S	Kolektor aluminiowy z szybą pryzmatyczną OPTISOL-THERM; wymiary: 2,030x1,025x0,087m; powierzchnia absorbera: 1,8 m2; pojemność cieczowa: 1,471 l.	940x3=2820
Uchwyt dachowy	Na 2 kolektory (162 zł) + 87 zł na każdy następny kolektor	249
Okucie budowlane	Na 1 kolektor (371 zł) + 87 zł na każdy następny kolektor	545
SBR	Termostat kolektora słonecznego	295
Panel steruj±cy	Naczynie przeponowe, pompa obiegowa, zawór zwrotny, zawory odcinające, manometr, regulator R1 (odczyt temperatury a kolektorze i w zasobniku wody użytkowej, ogranicznik temperatury max. wody)	1 610
Zasobnik akumulacyjny	ACQUA_C 300; wymiary: wysokość - 1632mm; średnica - 55mm; Tmax - 99° C; pmax - 6 bar	1 913
Razem	7432

Czas zwrotu inwestycji, który jest ilorazem kosztów inwestycyjnych do kosztów zaoszczędzonego paliwa wynosi odpowiednio:

7432 [zł] / (581 [zł/rok]) = 12,8 lat

Dla systemu bez zasobnika prosty okres zwrotu nakładów (SPBT) wyniesie ok.10 lat.

W przypadku porównania do kosztów przygotowania ciepłej przy wykorzystaniu taryfy jednostronnej G11, proste okresy zwrotu w rozpatrywanych przypadka wyniosą odpowiednio 7,5 i 5,5 roku.

Rosnące wciąż ceny tradycyjnych nośników energetycznych będą istotnie oddziaływać na atrakcyjność ekonomiczną urządzeń słonecznych.

źródło: Krajowa Agencja Poszanowania Energii

---