Transport energii cieplnej w instalacjach solarnych. Dwa przepływy

Innymi słowy, im niższa jest średnia temperatura robocza kolektora, tym wyższa jest jego energia grzewcza. Większość osób zainteresowanych kolektorami słonecznymi styka się z tzw. kompletnymi zestawami solarnymi, oferowanymi przez większość polskich dystrybutorów. Nieodłącznymi elementami takich zestawów są zwykle zasobniki dwuwężownicowe (biwalentne) w zestawach do c.w.u. lub zbiorniki kombinowane w zestawach do c.w.u. i wspomagania ogrzewania. We wszystkich tych zestawach dolna wężownica, zwana solarną, podpięta jest pod kolektory słoneczne. Rozwiązanie takie powoduje, że niezależnie od wielkości dostępnego w danym momencie promieniowania słonecznego grzana jest dolna część zbiornika. Metoda ta nie pozwala na optymalne wykorzystanie energii pozyskiwanej przez kolektory słoneczne. Mimo, iż kolektory słoneczne w określonych sytuacjach pogodowych są w stanie wytworzyć energię pozwalającą na uzyskanie temperatury wody użytkowej w zasobniku na poziomie uznawanym za zadowalający (np. 45oC), ich energia jest źle wykorzystana. Ciepło dostarczane przez kolektory nie podgrzewa bowiem wody w części dyspozycyjnej zasobnika, z której pobierana jest woda użytkowa.

„Fenomeny” energetyczne Wiele osób związanych z instalacjami solarnymi jest zdania, że poprzez podniesienie temperatury roboczej medium grzewczego (na przykład przez stosowanie układów solarnych z małym przepływem – low flow) uzyskać można znaczny wzrost uzysku energetycznego instalacji słonecznej. Wynika to najczęściej z faktu, że temperatura jest parametrem, który człowiek jest w stanie „poczuć” (może się na przykład oparzyć), a nie jest w stanie bezpośrednio zmierzyć ilości energii dostarczanej w danym momencie przez instalację. Natomiast faktem jest, że kolektor „tym lepiej grzeje”, im bardziej „jest wychładzany”.
Innymi słowy, im niższa jest średnia temperatura robocza kolektora, tym wyższa jest jego energia grzewcza. Obrazują to liczbowo tabele, pokazujące straty wynikające z różnicy średnich temperatur roboczych dwóch płaskich kolektorów słonecznych. Jak widać, straty uzysku solarnego kolektora słonecznego o słabszej wydajności są większe i mogą wynieść, w przypadku jego pracy przy temperaturze roboczej 50oC, nawet prawie 40% w stosunku do dobrego kolektora pracującego przy temperaturze roboczej 30oC. Im niżej utrzymywana jest średnia temperatura robocza kolektora słonecznego, tym wcześniej następuje załączenie pompy obiegu solarnego, a do tego celu potrzebna jest stosunkowo niska wartość promieniowania słonecznego. Dzięki temu pozyskuje się wcześniej ciepło użyteczne. Należy również zwrócić uwagę, że wysoka temperatura na kolektorach słonecznych, przekraczająca znacznie 100oC, jest objawem nieprawidłowej pracy systemu solarnego. Zasadniczym zadaniem dobrej instalacji solarnej jest podniesienie temperatury odbiorników energii do możliwie najwyższej temperatury. Oznacza to, że w przypadku instalacji do ciepłej wody użytkowej należy podgrzać całą objętość ciepłej wody, poczynając od temperatury rzędu 10oC na wlocie do zasobnika, a przypadku instalacji do wspomagania ogrzewania podnieść temperaturę powrotu z grzejników niskotemperaturowych, typu podłogówka lub ogrzewanie ścienne, z temperatury rzędu 25oC do poziomu 35oC.

Przepływ wysoki Prześledźmy na przykładzie instalacji słonecznej o wysokim (high-flow) i niskim (low-flow) przepływie, jakie wydajności są osiągane. Instalacja rozpoczyna pracę w sytuacji, gdy w górnej części zasobnika zgromadzona została ciepła woda użytkowa podgrzana kotłem lub pozostała ona z dnia poprzedniego w wyniku ograniczonego zużycia. Przyjęto, że woda w górnej części zasobnika posiada temperaturę 60oC, a w dolnej 20oC. Typowa instalacja pracująca w systemie high-flow (rys. 1) osiąga w omawianym przypadku moc grzewczą rzędu 11,6 kW (przy wydajności pompy rzędu 1000 l/h oraz 10oC różnicy temperatur na zasilaniu i powrocie z wężownicy – jako medium robocze przyjęto wodę). I obojętne jest tu, czy temperatura medium roboczego docierającego do wężownicy zasobnika wynosi 30, 50 czy 70oC. Dowodem grzania cieczy w zasobniku jest sytuacja, w której do wężownicy dociera medium o temperaturze wyższej niż temperatura medium wychodzącego z wężownicy. Można to zaobserwować na termometrach grupy pompowej (jeśli termometry takie są zainstalowane). O ile ilość energii doprowadzonej do zbiornika przekracza ilość energii odprowadzanej ze zbiornika, dochodzi do podgrzewu wody użytkowej. Zdarza się, że energia doprowadzana do zbiornika z kolektorów jest tracona w wyniku złej izolacji zbiornika. Zużyć energię jest zawsze łatwiej niż ją pozyskać.

Przepływ niski Ta sama instalacja pracująca w systemie low-flow (rys. 2) osiąga w omawianym przypadku moc grzewczą rzędu 8,7 kW (przy wydajności pompy rzędu 150 l/h oraz 50oC różnicy temperatur na zasilaniu i powrocie z wężownicy). Trzeba tu zwrócić uwagę, że mimo iż medium grzewcze posiada znacznie wyższą temperaturę (ponad 70oC) grzana jest woda o identycznej temperaturze wyjściowej 20oC, jak w przypadku instalacji high-flow. Efektem jest zmniejszona moc doprowadzona do zasobnika. Czy możliwe jest podniesienie wydajności systemu pracującego low-flow poprzez doprowadzanie energii cieplnej do całej objętości zasobnika, tak aby do dyspozycji stała od razu woda o temperaturze dyspozycyjnej? Część instalatorów korzysta ze standardowych zasobników o zwiększonej powierzchni wewnętrznego wymiennika ciepła lub stosuje zasilanie zasobnika poprzez wymiennik zewnętrzny. Mówi się wówczas o szybkim dostarczeniu ciepłej wody użytkowej o temperaturze dyspozycyjnej. Czy możliwe jest jednak uzyskanie takich parametrów w każdych warunkach pogodowych? Czy działanie takie jest uzasadnione? Użytkownik chce korzystać z ciepłej wody użytkowej o temperaturze dyspozycyjnej w każdych warunkach pogodowych.

Porównanie systemów Dla potrzeb porównania obu systemów przyjmujemy istnienie idealnego wymiennika ciepła. W przypadku systemu high-flow, w zasobniku tworzą się dwie strefy temperaturowe – solarna (w obszarze wężownicy solarnej) oraz dyspozycyjna w górnej części zasobnika (rys. 3). Podczas grzania kolektorami temperatura w dolnej części zasobnika wzrasta stopniowo, a w zasobniku praktycznie brak jest warstw temperaturowych.
Średnia temperatura kolektorów jest wyższa o 5oC od temperatury wody użytkowej w dolnej części zasobnika. W przypadku zasobnika z wężownicą na całej jego długości, pracującego systemem low-flow, tworzą się warstwy temperaturowe. Średnia temperatura kolektorów jest niezależna od ilości medium roboczego, oczywiście przy założeniu, że temperatura schodząca z kolektorów nie jest wyższa od temperatury wody w górnej części zasobnika. Dzięki temu, że zasobnik ładowany jest od góry, temperatura powrotu jest niższa. Z uwagi na fakt, że ilość energii promieniowania słonecznego jest zmienna, właściwym rozwiązaniem jest jej doprowadzanie na właściwy poziom zasobnika – do miejsca o identycznej temperaturze (rys. 4). Porównując pracę tego układu z układem z prostą wężownicą standardową (ze schematu powyższego), trzeba zauważyć, że instalacja solarna może rozpocząć pracę znacznie wcześniej.
O ile w powyższej prostej instalacji pompa winna się załączyć dopiero po osiągnięciu przez kolektory temperatury powyżej 50oC, aby nie wychłodzić wody w zasobniku, o tyle w przypadku wężownicy ładowanej odcinkami, kolektory mogą grzać wodę już przy znacznie mniejszych temperaturach. Stosując system wolnego przepływu, stosować można mniejsze przekroje rur, a co za tym idzie – mniejszą ilość medium grzewczego. Trzeba jednak zauważyć, że zmniejszenie przepływu może prowadzić do zmniejszenia wydajności kolektorów oraz wymiennika ciepła w wyniku przejścia cieczy z przepływu turbulentnego w laminarny. Oznacza to, że kolektory słoneczne, sposób ich połączenia oraz wymiennik ciepła muszą być dobrane do zmniejszonej wartości przepływu. Małe wartości przepływu prowadzą do wyższych temperatur roboczych kolektorów słonecznych, może wystąpić nierównomierność przepływu w przypadku większej ilości pól kolektorów, a co za tym idzie – możliwość pojawienia się niebezpiecznie wysokich temperatur w polach, prowadzących do tworzenia się poduszek gazu. Projektowanie dużych instalacji wymaga więc szczególnej staranności.

Podsumowanie Zastosowanie instalacji pracujących w systemie low-flow z wielostopniowym ładowaniem zasobnika prowadzić może do zwiększenia wydajności instalacji solarnej. Osiągnięcie tego efektu możliwe jest jedynie w przypadku optymalnego doboru kolektorów, sposobu ich połączenia w pola, wyboru właściwego zasobnika oraz doboru prawidłowych parametrów pracy instalacji. W przeciwnym wypadku zamiast zysków trzeba liczyć się ze stratami.
dr inż. Jerzy Chodura
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf


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