Instalacje solarne – mity i fakty. Uzysk gwarantowany.

Kolektory są badane przez akredytowane instytucje w celu potwierdzenia możliwości uzyskania tej wartości. Czy zastosowanie ich w dowolnej instalacji solarnej gwarantuje ten uzysk?
W certyfikacie wydanym przez instytucję badawczą znajduje się formułka: zastosowanie kolektora słonecznego w referencyjnej instalacji solarnej gwarantuje uzysk średnioroczny co najmniej 525 kWh/m2.

Pod pojęciem „referencyjna instalacja kolektorów” kryją się następujące założenia:

* lokalizacja instalacji: Würzburg (położenie 49°47’18” North, 9°53’21” East),

* pogoda TMY (Typical Meteorological Year) albo ekwiwalentne dane pogodowe,

* usytuowanie kolektorów na południe, nachylenie odpowiednie do szerokości geograficznej,

* powierzchnia kolektorów jest tak dobrana, aby wskaźnik pokrycia solarnego wynosił 40%,

* parametry kolektorów przyjmuje się z certyfikatu będącego wynikiem badań przez uprawnioną jednostkę,

* przepływ masowy identyczny jak w trakcie badań, zastępczo 50 l/m2*h

* medium robocze takie jak w trakcie badań albo mieszanina wody i glikolu polipropylenowego o zawartości 30% glikolu,

* sterownik włącza pompę przy zaistnieniu różnicy temperatur o wartości 2 K pomiędzy temperaturą medium roboczego u wylotu kolektora a temperaturą wody w zasobniku w obszarze wymiennika ciepła,

* przewody instalacji: zasilanie i powrót po 7,5 m długości wewnątrz i na zewnątrz budynku na rurze DN 16 w izolacji o grubości 25 mm (λ = 0,04 W/K*m); straty ciepła liczone z uwzględnieniem temperatury wewnątrz pomieszczenia oraz temperatury powietrza na zewnątrz budynku,

* wymiennik ciepła: zanurzony wymiennik ciepła z gładkimi rurami o znanych parametrach (współczynnik kA wynoszący 400 W/K (+/- 15%) przy temperaturach 42/40oC na króćcu wlotowym i wewnątrz zasobnika),

* zasobnik o pojemności 300 litrów, współczynnik strat ciepła włącznie z kołnierzami zasobnika 2,2 W/K, stosunek wysokości do średnicy 2,5, pojemność dyspozycyjna 135 l przy 47o C,

* temperatura zimnej wody 10oC,

* temperatura wewnątrz pomieszczeń 15oC,

* standardowy pobór ciepłej wody 200 l/d przy 45oC (w przypadku, gdy temperatura przekracza 45oC, następuje pomieszanie z zimną wodą do temperatury 45oC. Odpowiada to energii 2950 kWh/rok, przyjęto jednostkowy pobór 10 l/min,

* profil poboru: o godz. 7 i 19 po 40% i 20% o godz. 12.

Warunki rzeczywiste dowolnej instalacji solarnej odbiegają w sposób oczywisty od warunków referencyjnych. Jak kształtują się wówczas rzeczywiste wartości uzysku energetycznego instalacji solarnej?

Prognoza uzysku rzeczywistego

W instalacji rzeczywistej praktycznie wszystkie parametry różnią się od parametrów instalacji referencyjnej. Chodzi nie tylko o lokalizację, ale również o parametry techniczne i nastawy urządzeń zastosowanych w instalacji solarnej, ustawienie kolektorów, temperatury czynnika i otoczenia, jak również o profil zużycia ciepłej wody użytkowej. No i rzecz najważniejsza: wartość 525 kWh/m2 określa się dla wskaźnika pokrycia solarnego wynoszącego 40%. Oznacza to, że kolektory słoneczne dostarczają 40% energii potrzebnej do przygotowania ciepłej wody użytkowej, w budownictwie indywidualnym dążymy zaś do uzyskania większej wartości – rzędu 60%. Na rysunku 1 całkowite potrzeby cieplne obrazują ilość energii niezbędną do zaspokojenia, w skali roku, potrzeb związanych z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej. Całkowite napromieniowanie określa ilość energii słonecznej padającej na powierzchnię czynną kolektorów słonecznych w tym samym okresie czasu. Na rysunku uwidoczniono również straty ciepła występujące w całej instalacji solarnej i zasobniku.

Jeśli chodzi o straty związane z samymi kolektorami słonecznymi, to jest to największa pozycja w stratach instalacji solarnej, związana z różnicą temperatur pomiędzy medium roboczym w kolektorach słonecznych a otoczeniem, występującą w trakcie ich eksploatacji na przestrzeni roku kalendarzowego. Jednocześnie straty ciepła występują w miejscu łączenia kolektorów – im mniej takich połączeń (jest to równoznaczne z zastosowaniem kolektorów o większej powierzchni czynnej), tym niższe straty.

Straty ciepła występujące w obiegu instalacji są głównie związane z zastosowaną izolacją cieplną oraz jej grubością, natomiast straty ciepła w zasobniku to nie tylko straty związane z jego izolacją, ale również sposobem podłączenia rur instalacji zapobiegającym niepożądanej cyrkulacji ciepła.

W przypadku wskaźnika pokrycia solarnego o wartości 40% dla tego samego obiektu, przy założeniu podobnej sprawności systemu solarnego, uzyskamy wynik pokazany na rys. 2. Przy przyjętych wyżej założeniach dla uzyskania tej wartości wskaźnika pokrycia solarnego możliwe jest zastosowanie mniejszej powierzchni czynnej kolektorów (mniejszej ilości kolektorów). Warunkiem zasadniczym, aby tak się stało, jest jednak zachowanie parametrów pracy instalacji pozwalających na pozyskanie takiej ilości energii użytecznej, która zapewni wymaganą wartość uzysku solarnego. O ile parametry pracy w rzeczywistej instalacji solarnej różnią się od tych, które przyjęto w instalacji referencyjnej, jakie niesie to za sobą skutki?

Pierwszym zasadniczym komponentem, który może znacznie zniwelować wartość uzysku energetycznego, są kolektory słoneczne oraz ich połączenia, jak również przewody instalacji solarnej. Jeśli chodzi o przewody instalacji, to straty są związane z zastosowanym rodzajem izolacji cieplnej rur, a zastosowana grubość izolacji oraz jej parametry odbiegają wartością od przyjętych w instalacji referencyjnej. O skutkach pisałem już w „Magazynie Instalatora” 12/2010. W opisach do referencyjnej instalacji można również znaleźć stwierdzenie, że wykonana ona winna być zgodnie z przyjętymi kanonami techniki grzewczej, nawiasem mówiąc – tak jak każda instalacja. Niestety instalatorzy często oszczędzają również na izolacji połączeń pomiędzy kolektorami słonecznymi, a ciepło uchodzi do otoczenia („Magazyn Instalatora” 2/2010). Kolektory słoneczne powinny posiadać charakterystyki identyczne do tych, które uzyskano w trakcie ich badań. Przyjmuje się, że gwarancją uzyskania przez kolektory słoneczne identycznych parametrów, jak w trakcie badań, jest posiadanie przez producenta kolektorów słonecznych Solar Keymarka, który ma zapewnić, że kolektory słoneczne produkowane są w warunkach porównywalnych oraz materiały zastosowane do produkcji nie różnią się od tych, które zastosowano w kolektorach przekazanych do badań. Od uczciwości producentów zależy, czy reguła ta jest zachowana w praktyce.

Kolejnymi parametrami, które mogą wpłynąć na uzyski energetyczne, są: przepływ masowy przez kolektory, który występuje w trakcie eksploatacji instalacji solarnej oraz parametry regulacji. Zalecany przepływ masowy jest podawany przez producentów kolektorów słonecznych w kartach technicznych. Dla zapewnienia prawidłowej pracy zestawu solarnego wielu producentów zaleca stosowanie innych wartości przepływu w okresach określanych w sposób uproszczony jako lato i zima.

Na rysunkach 3 i 4 pokazano przykładowo możliwe do uzyskania przyrosty temperatur medium roboczego w kolektorach słonecznych pracujących w systemie low flow (rys. 3) oraz high flow (rys. 4). Wykresy te potwierdzają również zasadność stosowania znajdujących się na rynku regulatorów sterujących przepływem, co pozwala na optymalizację uzysku energetycznego. Jednocześnie nawet najlepszy regulator nie zapewni osiągnięcia spodziewanych rezultatów, jeśli nie będzie prawidłowo nastawiony.

O tym, ile energii pozyskanej przez kolektory słoneczne będzie można efektywnie wykorzystać, decyduje również w sposób zasadniczy zasobnik solarny. Nie wszystkie oferowane na rynku zasobniki posiadają wymienione wyżej parametry zasobnika referencyjnego. Duża powierzchnia wężownicy zasobnika często prowadzi do mylnego przekonania, że mamy do czynienia z dobrym produktem. Co z tego, że jest duża, skoro nie posiada właściwych wskaźników przewodności cieplnej, co powoduje, że medium robocze nie oddaje efektywnie ciepła, a sama konstrukcja zasobnika powoduje wewnętrzne turbulencje (na przykład w wyniku umieszczenia gorącego i zimnego króćca wężownicy solarnej bezpośrednio obok siebie) oraz wymieszanie warstw temperaturowych, nie mówiąc już o prawidłowym zaizolowaniu zasobnika, jego króćców i kołnierza rewizyjnego. Bywa, że temperatura ciepłej wody użytkowej, zgromadzonej w zasobniku w ciągu dnia, może się znacznie obniżyć. Z obliczeń przeprowadzonych w [1] wynika, że w standardowym zasobniku ciepłej wody użytkowej o pojemności 500 litrów, przy 40oC różnicy temperatur pomiędzy ciepłą wodą użytkową a otoczeniem, ilość traconego ciepła sięga 8% ilości ciepła niezbędnego do podgrzewu wody w zasobniku i wynosi prawie 700 kWh w skali roku. W zasobnikach niższej jakości sytuacja może wyglądać znacznie gorzej.

Wielu użytkowników instalacji solarnych jest przekonanych, że skoro sąsiedzi kupili taki sam zestaw, to powinni też rejestrować identyczne wartości temperatur na kolektorach słonecznych oraz w zasobniku, jak również podobne wartości uzysków energetycznych. Nic bardziej błędnego! Przecież u każdego użytkownika występują inne wartości poboru ciepłej wody oraz profile zużycia. Mogą one również w sposób zdecydowany odbiegać od parametrów instalacji referencyjnej. W jakim stopniu profil zużycia ciepłej wody wpływa na efekt energetyczny, prognozować można za pomocą oferowanych na rynku programów komputerowych.

Symulacja komputerowa

Dla pokazania, w jakim stopniu różnić się mogą wydajności identycznej instalacji solarnej u dwóch użytkowników z odmiennym sposobem zużycia ciepłej wody użytkowej, przy założeniu wartości wskaźnika pokrycia solarnego rzędu 60%, wykorzystano program T*Sol Pro. W wersji pierwszej przyjęto, że obaj użytkownicy zużywają 200 litrów ciepłej wody użytkowej, obie instalacje są identyczne i wyposażone w 3 płaskie kolektory słoneczne z zasobnikiem o pojemności 300 litrów. Większość parametrów instalacji jest zgodna z parametrami wyżej opisanej instalacji referencyjnej.

Jedyna różnica polega na tym, że u jednego z użytkowników (wariant I) domownicy przebywają w budynku przez cały dzień i zużywają wodę praktycznie w sposób ciągły, u drugiego (wariant II) zużycie wody następuje w późnych godzinach wieczornych. Porównanie parametrów wydajnościowych obu instalacji przedstawiono w tabeli. Jak widać, przy identycznej wartości dobowego zużycia ciepłej wody użytkowej uzyskano porównywalne wskaźniki wydajnościowe instalacji. Jak zmienią się te dane, jeśli użytkownik I zacznie bardzo rozrzutnie obchodzić się z wodą i zużyje 360 l/d, pokazano w tabeli 2.

Jak porównać te przypadki? Osoba, która nie wgłębi się w zagadnienie i wybiórczo porówna oszczędność gazu oraz wskaźniki energetyczne (energie jednostkowe) uznać może, że posiadając konkretny zestaw solarny, nie musi się zbytnio martwić o oszczędność ciepłej wody. Skoro oszczędza rocznie więcej gazu, to i instalacja mu się zwróci szybciej? Kupując zestaw solarny identyczny z tym, który ma „sąsiad”, koszt zakupu może się szybciej zwrócić, ale czy ta osoba zauważy, że będzie musiała wydać proporcjonalnie znacznie więcej środków finansowych za całkowite zużycie gazu? Użytkownik zyskał 13% oszczędności gazu, ale stracił 44% na koszcie zakupu gazu!

Podsumowanie

W artykule przedstawiono zagadnienie wskaźnika energetycznego wprowadzonego w Unii Europejskiej jako podstawę uzyskania dofinansowania do instalacji solarnych. Przeanalizowano w skrócie, jak kształtuje się wartość tego wskaźnika w przypadku, gdy komponenty zestawów solarnych i ich parametry techniczne dobierane są bez analizowania ich wzajemnych zależności. W efekcie instalacja z kolektorami słonecznymi, posiadającymi Solar Keymark, może nie osiągać parametrów poświadczonych stosownym zaświadczeniem.

dr inż. Jerzy Chodura
[1] BINE – Informationspaket. Wärmespeicher. Norbert Fisch, Michael Bodmann i inni.
Zobacz artykuł w wersji pdf pdfpdf

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