Stratyfikacja w zbiornikach solarnych. Ciepłe „ziarenka”

Coraz więcej osób zaczyna wypowiadać się na temat instalacji słonecznych, które jeszcze do niedawna były swoistą nowinką. Jest to bardzo pocieszające, ale z drugiej strony nasuwa się refleksja niedosytu wobec specjalistów, którzy nie do końca rozumieją zagadnienia, na temat których się wypowiadają.  Pierwsze instalacje słoneczne zostały opatentowane w 1981 r. przez M. Clawrenca w USA. Już wtedy wydawało się, że odnosimy się do największych osiągnięć technicznych. Tak naprawdę odkrywamy to, co zostało odkryte i to dużo wcześniej. W roku 1770 Mikołaj de Susar wykorzystał kolektor słoneczny, o drewnianej konstrukcji z tzw. soczewką skupiającą do przetworzenia energii słonecznej na użytkową i zbiornik wykorzystujący właśnie stratyfikację ciepła.

———————————————————————————————-——————-—————————————————————

zobacz artykuł w formacie pdf >>> str. 34 >>> str. 35

———————————————————————————————-——————-—————————————————————

 W połowie lat 90., czyli całkiem niedawno, przeprowadzono szereg różnych badań nad optymalnym doborem zbiornika do instalacji słonecznych i sposobem oddania ciepła do instalacji użytkowej. Wybrano kilka wariantów, aby ostatecznie skoncentrować się na trzech typach rozwiązań:
● zbiornik odbierający ciepło za pośrednictwem wężownicy w dolnej części zbiornika,
● zbiornik ze stalowym płaszczem wodnym,
● wymiennik płytowy.
Z przeprowadzanych badań naukowych jednoznacznie wynika, że optymalny układ związany jest z wymiennikiem płaszczowym.  Liczba źródeł ciepła  Dalsze lata przyniosły jednak nowsze rozwiązania. Wprowadzono do funkcjonowania typowych instalacji układy biwalentne. Układ biwalentny to taki, który wykorzystuje kilka źródeł ciepła (niestety, definicja układu biwalentnego często jest wypaczana). Układ zaś monowalentny wykorzystuje jedno źródło ciepła. Właśnie w tych ostatnich rozwiązaniach pojawiło się rozwiązanie hybrydowe, łączące układ płaszczowy z wymiennikiem spiralnym. Wprowadzono wymienniki spiralne z nieregularnym kształtem i wymuszające wymianę ciepła w układzie stratyfikacji ciepła. Z tego też powodu instalacje solarne podłącza się odwrotnie od systemów grzewczych w zbiornikach. Zawsze prawidłowym rozwiązaniem jest uwzględnienie rozkładu temperatur w zbiorniku. Warto jednak zauważyć, że poszczególne części zbiornika, wykorzystujące stratyfikację ciepła, tworzą odpowiednie strefy temperatur. Każda z tych stref odpowiada wymogom zapotrzebowania ciepła do poszczególnych odbiorników: ogrzewanie ścienne (22-28°C); ogrzewanie podłogowe (28-35°C), ogrzewanie grzejnikami panelowymi (55-75°C).  Indywidualne podejście  Nieprawdą jest jakoby układ dwóch zbiorników był najlepszym rozwiązaniem. Liczba zbiorników nie ma tu większego znaczenia. Najważniejsze jest, aby każda instalacja była rozpatrywana indywidualnie, a nie sztampowo i to z jednoznacznym stwierdzeniem „tak ma być”. Takie podejście jest bardzo negatywne i wskazuje na bardzo małe doświadczenie zawodowe instalatora lub projektanta. Najważniejszą przesłanką w doborze rozwiązania jest czynnik cenowy i koszt rzeczywisty inwestycji. Bardzo często do tego dochodzą  ograniczenia techniczne czy też budowlane, jak np. wielkość pomieszczenia, czy wysokość kotłowni albo banalna sprawa: szerokość otworu drzwiowego. W swojej karierze miałem taki przypadek, że zaopatrzeniowiec pomylił jedną cyferkę w zamówieniu i dostarczył zbiornik o 12 cm szerszy niż zaprojektowałem (instalacja Jaworzyna Krynicka najwyżej zlokalizowana instalacja słoneczna w Polsce). O mały włos nie trzeba było odsyłać zbiornika do Włoch. Jedyne rozwiązanie, jakie przyszło mi do głowy, to rozkopanie piwnicy i wykucie stropu. Co ciekawe, zbiorników było 5. Układ solarny pracował na niskich temperaturach, zaś pozostałe zbiorniki pracujące w układzie kaskadowym zostały wykorzystane jako rozwiązanie istniejące i obniżające koszty. Ponadto została uwzględniona zwiększona pojemność układu, która powinna wahać się na poziomie 50-110 dm3/m2 absorbera. Najważniejszym jednak zadaniem w zakresie wykorzystania instalacji słonecznej nie jest zakładanie zbiorników poziomych. Nie należy jednak mylić rozwiązań w układach termosyfonowych, które tylko i wyłącznie wykorzystują układy termosyfonowe. Właśnie pierwsze rozwiązania patentowe instalacji odnosiły się do układów termosyfonowych w połączeniu z podgrzewaczami grawitacyjnymi z tzw. trzonów kuchennych. Pamiętajmy jednak, że te rozwiązania istniały 116 lat temu, a jakie były już wtedy doskonałe.  Stratyfikacja ciepła  Większość producentów już teraz doceniła zjawisko tzw. stratyfikacji ciepła. Polega ono na tym, że w poszczególnych strefach zbiornika następuje wzrost temperatury, a warstwa najbardziej gorąca znajduje się w górnej części zbiornika. Zjawisko to jest obecnie wykorzystywane w dwóch znaczących rozwiązaniach:
● wąskich, ale wysokich zbiornikach pojemnościowych,
● dużych zbiornikach z wydzieloną komorą do c.w.u. w górnej części.
Jakie rozwiązanie jest najlepsze, trudno jednoznacznie odpowiedzieć, ponieważ trudno też wskazać, które z nich jest tańsze. W większości decyduje dostępność i znajomość urządzenia przez instalatora, a nie najlepsze rozwiązanie techniczne. Pamiętam czasy, kiedy jeszcze nie tak dawno możliwość dostępu na rynku zbiornika z dwiema wężownicami niemal graniczyła z cudem. Obecnie na rynku mamy duży wybór produktów polskich i zagranicznych. Wyrobów bardzo tanich i bardzo drogich. Dla przykładu, zbiornik 300 l możemy kupić od 2000 zł do 10 000 zł, tak duża rozbieżność wynika nie tylko z dostępu do renomowanych wyrobów, ale też urządzeń o najwyższym standardzie i najlepszych materiałach, np. stali nierdzewnej. Czy jednak w naszych mieszkaniach potrzebny jest bardzo wysoki komfort techniczny.?

Uważam, że to już nie tylko rzecz gustu, ale też kwestia zasobności własnego portfela. Pamiętajmy również o skrajnościach w tworzeniu absurdu. Pamiętam, jak w roku 1997 była prezentowana jedna z instalacji w woj. zachodniopomorskim, oparta m.in. na kolektorach słonecznych, gdzie wykorzystano potrójny system wymiennikowy. Jeden z naukowców, który stworzył ten system, zapomniał o policzeniu strat na przesyle, zawodności i konieczności naprawy pomp obiegowych i kosztach układów wymiennikowych. Dzisiaj możemy w jednym urządzeniu typu „zbiornik biwalentny” mieć zestaw z 4 wymiennikami i to za cenę nieprzekraczającą 4-5 tys. zł. Biorąc pod uwagę fakt, iż jeden mały wymiennik płytowy kosztuje ok. 1 tys. zł, dochodzimy do prostego rachunku i oszczędności 30-50%.  Optymalna nastawa  W zakresie pracy kolektorów słonecznych bardzo ważną sprawą jest pozyskiwanie energii nawet przy niewielkiej dawce promieniowania słonecznego i krótkim okresie nasło necznienia. Szkoda jednak, że niewiele osób wie, jak prawidłowo zoptymalizować warunki pracy układu solarnego poprzez właściwą nastawę. Z uwagi jednak na obszerność tematu pozostawię tę kwestię do odrębnej publikacji. Jednak najważniejszą sprawą jest zdolność do pozyskania niewielkiej dawki energii, ale dalsze przekazanie jej do systemu musi odbywać się w odpowiednich warunkach. To, że będziemy mieli do czynienia z dwoma lub większą ilością zbiorników, nic nie zmieni. Nie decyduje w tym wypadku jedynie wysoka różnica temperatur, ale właściwa nastawa pracy pompy. Większość sterowników odnosi się do obsługi zwykłej pompy cyrkulacyjnej UPS 25-40. W takim wypadku wymiana nie odbywa się w zależności od osiągnięcia progu 56, czy 60°C, ale od samej nastawy. Wystarczy, że odpowiednio zaprogramowany i zastosowany układ pozwala na odbiór ciepła przy osiągnięciu temperatury 15°C. Zimna woda napływająca ma temperaturę rzędu 610°C. Zatem, według moje oceny, opłacalny jest odbiór ciepła powyżej błędu pomiarowego i różnicy temperatur na poziomie 6°C. Dolny próg, jaki standardowo wprowadzam, nie powinien być niższy do celów użytkowych niż 15°C w okresie zimowym, zaś w okresie letnim powinniśmy ten próg zwiększać proporcjonalnie do wyższych temperatur (>40°C), aby nie powodować wychłodzenia zbiornika i zgromadzonej energii cieplnej. Dochodzimy w sposób znaczący do rozwiązania, że systemy oparte na właściwej budowie, w tym odpowiednim doborze zbiornika lub zbiorników, odnoszą się do odpowiedniej kalkulacji cenowej i użytkowej, a przede wszystkim do szybkiego okresu zwrotu nakładów inwestycyjnych. Takie rozwiązanie  gwarantuje obecnie na polskim rynku zbiornik o małej średnicy, ale dużej wysokości, mający dużą pojemność. Przypomnę, że dla zbiornika 200-250 l przypadają 2-3 kolektory, zaś dla zbiornika 250-350 l przypada 3-5 kolektorów. Załączona tabela jest pewnego rodzaju uproszczonym przykładem doboru zbiorników, ale nie w dosłownym tego słowa znaczeniu. Dobór zbiornika, jego lokalizacja i odległość od kolektorów słonecznych stanowią temat do długiej dyskusji. Zawsze jednak powinniśmy kierować się zasadą prostoty rozwiązań i dążyć do lokalizacji jednego zasobnika o dużej pojemności i wysokości, z możliwością wykorzystania kilku źródeł energii. Można również postawić tezę, że najlepiej jest łączyć zbiornik z wymiennikiem płytowym i podłączyć do wymiennika dowolne źródło ciepła. Oczywiście, jest to możliwe, ale zapominamy o konieczności stosowania oddzielnych układów pompowych, zaworów odcinających i układów sterowania. Do tego dochodzą tzw. straty na przesyle, a w ostateczności mamy do czynienia ze stratyfikacją ciepła w zbiorniku. Tak więc wykorzystujmy zawsze to, co jest najtańsze i najbardziej skuteczne, a jednocześnie jest proste w obsłudze i podłączeniu instalacyjnym, ponieważ takie rozwiązanie pozwoli na obniżenie kosztów inwestycyjnych i skróci czas wykonania planowanej instalacji. Nigdy jednak nie ograniczajmy swoich możliwości i kupujmy zawsze zbiornik, do którego można dołączyć dodatkowy wymiennik lub włączyć zasilanie elektryczne z podgrzewacza spiralnego. Przy niewielkim wzroście kosztów o 3-5% mamy zyski kilkunastoprocentowe wedle zasady: „ziarnko do ziarnka i uzbiera się miarka”. 

dr inż. Zbigniew Tomasz Grzegorzewski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij