Duże instalacje z kolektorami słonecznymi. Słońce na basenie

Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdfpdf

Na początek musimy wyjaśnić, że inaczej dobiera się wielkość małej instalacji solarnej na potrzeby domowe, a inaczej projektujemy duże instalacje wykorzystywane do podgrzewu wody użytkowej na potrzeby np. szpitala. Podstawową różnicą jest stopień pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę przez taką instalację. Na rys. 1 pokazano najczęściej dobierany stopień pokrycia zapotrzebowania w małych instalacjach solarnych (punkt A) i w dużych instalacjach solarnych (punkt B). Jak widać z wykresu, w przypadku małych instalacji stopień pokrycia zapotrzebowania szacuje się na ok. 50-60% całkowitego zużycia ciepłej wody, natomiast w dużych instalacjach z solarów pokrywamy do 30-40% zapotrzebowania. Łatwo zauważyć, że im mniejszy stopień pokrycia zapotrzebowania, tym większe uzyski energii solarnej z każdego m2 instalacji. Duże instalacje projektowane są więc na maksymalizację uzysków solarnych, a więc na najefektywniejsze wykorzystanie montowanych (kupionych) kolektorów słonecznych. Mniejsze pokrycie zapotrzebowania eliminuje również trudne do uniknięcia, przy wysokim stopniu pokrycia zapotrzebowania, letnie przegrzewy solarów.

Obiegi Stopień pokrycia zapotrzebowania to jedyna różnica pomiędzy dużymi i małymi instalacjami solarnymi. Można stwierdzić, że duża instalacja solarna to zupełnie inna filozofia pracy i budowy systemu. Małe przydomowe instalacje składają się tylko z jednego zbiornika wody użytkowej, który jest jednocześnie bezpośrednim odbiornikiem ciepła z solarów i zbiornikiem, z którego czerwienimy ciepłą wodę użytkową. Natomiast w dużej instalacji solarnej przede wszystkim wyróżniamy: obieg ładowania i obieg rozładowania energii solarnej (rys. 2).

* Obieg ładowania (elementy A, B na rys. 2)

Energia słoneczna, przekształcona w ciepło w instalacji kolektorów słonecznych, zostaje oddana poprzez płytowy wymiennik ciepła zasobnikowi buforowemu wody grzejnej (ewentualnie kilku zasobnikowm połączonym szeregowo, z możliwością ładowania warstwowego). Także systemy posiadające tylko jeden zasobnik buforowy wody grzejnej pozwalają na ładowanie warstwowe z różnymi strefami temperatur. Regulacja przez regulator solarny odbywa sie według zmierzonej różnicy temperatur.

* Obieg magazynowania (zbiornik buforowy C na rys. 2)

Zasobnik buforowy magazynujący ciepło z instalacji solarnej.

* Obieg rozładowania (elementy D, E i F na rys. 2)

Przed pojemnościowym podgrzewaczem c.w.u. zainstalowany jest zasobnik podgrzewania wstępnego, do którego doprowadzona jest woda zimna. Następny układ pomiaru różnicy temperatur steruje nagrzewaniem wody w tym zasobniku przez płytowy wymiennik ciepła. Dobre pod względem energetycznym wykorzystanie pojemności zasobnika buforowego wody grzejnej i wysoka sprawność instalacji kolektorów słonecznych warunkowane są możliwie małymi różnicami temperatur pomiędzy:

* zasobnikiem podgrzewania wstępnego a zasobnikiem buforowym wody grzejnej,

* zasobnikiem buforowym wody grzejnej a kolektorem słonecznym.

Dlaczego zaleca się stosowanie takiego układu do dużych instalacji solarnych? Myślę, że najpierw musimy zastanowić się, jakiej pojemności musiałby być zbiornik ciepłej wody, gdyby chcieć go dobrać do dużej instalacji solarnej (np. 100 m2 powierzchni czynnej kolektorów słonecznych), czyli zastosować typowy schemat jak na rys. 3.

Dobór zasobników Wytyczne projektowe sugerują, aby zalecana powierzchnia wężownicy na 1 m2 powierzchni kolektora wynosiła ok. 0,20 m2 powierzchni grzewczej. Jeśli więc nasza instalacja solarna ma 100 m2, to wężownice powinny mieć powierzchnie ok. 20 m2. Typowy biwalentny zbiornik o pojemności 300 litrów posiada wężownice o łącznej powierzchni ok. 2,4 m2. Potrzebowalibyśmy więc przynajmniej 8 zbiorników o łącznej pojemności 2400 litrów, tymczasem wytyczne sugerują, aby przy 100 m2 solarów zastosować zbiornik buforowy o pojemności ok. 5000-5500 litrów (ok. 50-55 litrów/1 m2 kolektora). Wymiary i wielkość zasobnika buforowego wody grzejnej należy, oczywiście, zaprojektować tak, aby zmieściły się w przewidzianych na nie pomieszczeniach. Zasobniki należy zaprojektować jako stojące. Przy rozplanowaniu ustawienia trzeba uwzględniać, by zasobnik podgrzewania wstępnego, przejmujący energię z zasobnika buforowego wody grzejnej, znalazł się blisko tego zasobnika, najlepiej tuż przy nim. Obieg rozładowania zasobnika buforowego wody grzejnej jest jednym z najbardziej wrażliwych punktów instalacji solarnej. Długości przewodów tego obiegu powinny być możliwie krótkie. Ponieważ zasobnik buforowy wody grzejnej nie styka się z wodą pitną, wobec materiału zasobnika nie są stawiane wysokie wymagania, co obniża koszty całej instalacji. Zasobnik buforowy wody grzejnej wyrównuje różnice czasowe pomiędzy podażą energii słonecznej a zapotrzebowaniem odbiorników. Zasobnik buforowy wody grzejnej należy zaprojektować tak, aby temperatura czynnika w zasobniku wynosiła maksymalnie 70°C, gdyż przy wyższych temperaturach sprawność kolektorów uległaby obniżeniu. Jeśli łączy się w jeden system kilka zasobników buforowych wody grzejnej, to należy je połączyć szeregowo. Poprzez zawory należy ładować poszczególne zasobniki osobno. Ponieważ opory przepływu w zasobnikach, przy stosunkowo niewielkich natężeniach przepływu w obiegach ładowania i rozładowania, są bardzo małe, nie należy projektować nieregulowanych układów połączeń równoległych. Również przy stosowaniu połączeń w układzie Tichelmanna proces ładowania i rozładowania nie byłby możliwy do opanowania.

Zasobnik podgrzewu ciepłej wody dobierany jest w sposób tradycyjny, czyli jego pojemność musi zapewnić wymagane zaopatrzenie w c.w.u. Zimna woda, zanim zasili zasobnik, trafia do zasobnika podgrzewu wstępnego, do którego przyłączona jest strona wtórna płytowego wymiennika ciepła (obieg rozładowania). Zadaniem zasobnika podgrzewania wstępnego jest buforowanie szczytów poboru, aby umożliwić pewne zaplanowanie strumieni objętościowych i strumieni ciepła w obiegu rozładowania. Dla spełnienia tej funkcji zasobnik podgrzewania wstępnego powinien być możliwie duży. Ponieważ jednak musi on raz dziennie zostać podgrzany do ponad 60°C (wygrzew antybakteryjny), należy zasobnik ten, z punktu widzenia unikania niepotrzebnego zużycia paliwa tradycyjnego, zaprojektować jako nie większy niż jest to konieczne dla spełnienia jego funkcji. Od wielkości zasobnika podgrzewania wstępnego zależą ponadto moc wymiennika ciepła i strumienie objętościowe w obiegu rozładowania. Im mniejszy zasobnik podgrzewania wstępnego, tym krótszy jest czas, w którym w zasobniku podgrzewania wstępnego dostępna jest zimna woda dla procesu rozładowania i tym większa musi być moc wymiennika ciepła i pomp po stronie obiegu rozładowania. Dla przeciętnego profilu poboru c.w.u. w wielokondygnacyjnych budynkach mieszkalnych istnieją wyniki pomiarów pozwalające optymalnie dobrać kombinacje pojemności zasobnika podgrzewania wstępnego, wymiennika ciepła i pomp. Przy stopniu pokrycia solarnego ok. 35% godzinowy szczyt instalacji stanowi dostatecznie dokładną podstawę do obliczeń. Jeśli pojemność zasobnika podgrzewania wstępnego wynosi 15% (+/-5%) poboru projektowego, to jako moc rozładowania wymiennika płytowego wystarcza połowa szczytu godzinowego.

Wymiennik Płytowy wymiennik rozładowania (element D na rys. 2) powinien więc spełniać następujące wymogi:

* moc wymiennika dobrana do pokrycia połowy szczytowego, godzinnego zapotrzebowania na c.w.u.,

* temperatura czynnika na wylocie z wymiennika po stronie wody grzewczej winna wynosić ok. 15ºC,

* temperatura czynnika na wlocie do wymiennika po stronie wody użytkowej: 10ºC,

* logarytmiczna różnica temperatury powinna zawierać się od 5 do 6ºC.

Dla uzupełnienia informacji – płytowy wymiennik ciepła po stronie ładowania (element B na rys. 2) powinien spełniać następujące wymogi:

* przepływ po stronie obiegu kolektorów powinien wynosić ok. 25 l/(h * m2) powierzchni absorbera,

* przepływ w obiegu wody grzewczej jest o 1,15 razy niższy w stosunku do przepływu w obiegu kolektorów (różnica wartości ciepła właściwego pomiędzy wodą a czynnikiem solarnym – glikolem),

* moc wymiennika (według powierzchni kolektorów) przyjmujemy ok. 600 W/m2,

* temperatura czynnika na wylocie z wymiennika po stronie solarnej winna wynosić około 20ºC,

* temperatura czynnika na wlocie do wymiennika po stronie wody grzewczej winna wynosić 15ºC,

* logarytmiczna różnica temperatury powinna zawierać sie od 5 do 6ºC.

Prędkość przepływu czynnika solarnego w instalacji solarnej powinna zawierać się pomiędzy 0,4 a 1,0 m/s. Znając więc natężenie przepływu (wspomniane wcześniej ok. 25 l/h m2 powierzchni absorbera), z łatwością wyznaczymy zalecane średnice przewodów instalacji. Dlaczego prędkość przepływu nie powinna przekraczać 1,0 m/s? Z powodu powstających hałasów i możliwości degradacji przewodów miedzianych (większe opory hydrauliczne). Natomiast przy prędkościach poniżej 0,4 m/s następuje zaleganie pęcherzyków powietrza w najwyższych punktach instalacji, czyli instalacja zapowietrza się.

Baseny Wymienione powyżej uwagi dotyczą projektowania i doboru dużych instalacji solarnych do podgrzewu ciepłej wody. Innym często spotykanym wykorzystaniem solarów jest wspomaganie podgrzewu wody basenowej.

Dobór wielkości pola kolektorów słonecznych do wspomagania podgrzewu wody basenowej odbywa się na innych zasadach niż np. do podgrzewu wody użytkowej. Energia cieplna z instalacji solarnej w przypadku basenów służy do pokrycia strat ciepła wody basenowej. Solary nie są projektowane do podgrzewania wody basenowej, ale do utrzymywania stałej temperatury wody w basenie. Największe straty ciepła wody basenowej powstają przez powierzchnię zwierciadła wody. Około 90% wszystkich strat ciepła wody basenowej odbywa się poprzez zwierciadło, pozostałe 10% to straty ciepła poprzez ściany i dno basenu. Im większe falowanie zwierciadła, tym większe straty ciepła, które mogą wynosić nawet 130 W/m2 powierzchni zwierciadła w przypadku silnego ruchu powierzchni wody.
Odkryty basen bez jakiegokolwiek falowania traci około 60 W/m2, natomiast przykrycie zwierciadła może ograniczyć straty ciepła do około 10 W/m2. Podane wartości mają charakter orientacyjny. Trudno jest oszacować straty ciepła wody basenowej, gdyż każda pływalnia ma inne obciążenie użytkownikami, co przekłada się bezpośrednio na proces falowania wody. Im większa frekwencja na basenie, tym oczywiście większe falowanie, a co za tym idzie – również większe straty. Jak więc oszacować straty ciepła wody basenowej? Najprościej wykonać pomiar spadku temperatury. Należy odłączyć podgrzew wody basenowej na czas 48 godzin i zmierzyć temperaturę wody na początku i na końcu okresu pomiarowego, oczywiście cały czas eksploatując basen jak podczas normalnego cyklu użytkowania.
Mając spadek temperatury w czasie 48 godzin, z łatwością wyznaczymy spadek temperatury w czasie 24 godzin – będzie to połowa ze zmierzonej wartości. Następnie mnożąc objętość basenu (wyrażoną w m3) przez spadek temperatury w stopniach i przez ciepło właściwe wody [cw=1,16 kWh/(K * m3)], otrzymamy zapotrzebowanie basenu na ciepło podgrzewu wody basenowej w celu utrzymywania stałej temperatury wody w basenie. Prosty przykład obliczeniowy pomoże w zrozumieniu niezbyt skomplikowanych obliczeń. Rozważmy basen o wymiarach: długość 50 m, szerokość 25 m i głębokość 2 m. Objętość wody w takiej niecce będzie wynosić 50 * 25 * 2 = 2500 m3. Niech strata temperatury w czasie 48 godzin wyniesie 2 K, a więc w ciągu 24 godzin temperatura spadnie o 1,0 K. Przeliczmy zapotrzebowanie na energię cieplną: 2500 m3 * 1,0 K *1,16 kWh/(K * m3) = 2900 kWh.
Z 1 m2 kolektora przyjmuje się uzysk ciepła na poziomie średnio 4,5 kWh/m2 kolektora w ciągu dnia [około 500 – 600 W/(m2 * h) w ciągu średnio 8-9 godzin]. Oznacza to, że zapotrzebowanie 2900 kWh pokryje około 644 m2 powierzchni czynnej kolektora słonecznego (2900/4,5 = 644,44). Oczywiście możemy dobrać mniejsze pole kolektorów słonecznych.
Nie zawsze znajdziemy miejsce na montaż tak dużej ilości solarów. Każda kWh uzyskana z darmowego źródła energii, jakim jest słońce, przełoży się bezpośrednio na oszczędności w paliwie do tradycyjnego źródła podgrzewu wody basenowej. Przykładowo mniejsza instalacja podgrzewu wody basenowej, złożona z kolektorów płaskich o łącznej powierzchni czynnej ok. 140 m2 (przyjmując, że z 1 m2 kolektora uzyskuje się średnio 4,5 kWh/dobę energii cieplnej), dostarcza średnio 626 kWh ciepła na dobę. Jest to praktycznie darmowa „dawka” energii cieplnej. W zależności od zastosowanego konwencjonalnego źródła podgrzewu wody basenowej wspomniana instalacja solarna umożliwia zaoszczędzenie od 170 do 260 zł dziennie, czyli 5200-8000 zł miesięcznie.

Pomiar spadku temperatury w ciągu 48 godzin możemy oczywiście wykonać tylko na istniejącym basenie. Jak poradzić sobie w przypadku projektowania solarów do nowego basenu? Można założyć średni spadek temperatury na poziomie ok. 1 K.

Powierzchnia i rozmieszczenie Duże instalacje solarne wymagają dużej powierzchni do rozmieszczenia kolektorów. Projektując posadowienie solarów, należy zadbać o to, aby rzędy kolektorów wzajemnie się nie zasłaniały. W wytycznych projektowych znajdziemy potrzebne wzory i dodatkowe informacje niezbędne do wyliczenia minimalnej odległości z między rzędami kolektorów (rys. 4).

z = [h * sin(180o – a – b)]/sinb

gdzie:

* h – wysokość kolektora,

* α – kąt nachylenia kolektora,

* β – kąt padania promieni słonecznych.

Wyjaśnienia wymaga sposób obliczania kąta padania promieni słonecznych β. Jego wartość oblicza się, odejmując od stałej wartości 66,5o (stała wartość dla półkuli północnej) szerokość geograficzną miejscowości. Np. Gdańsk leży na szerokości geograficznej ok. 54,2o, czyli:

β = 66,5o – 54,2o = 12,3o.

Jeśli przyjmiemy przykładową płytę solarną o wysokości 2 m i nachyleniu ok. 45o, montowaną w Gdańsku, to:

h = 2 m,

α = 45,

β = 12,3,

z = [2 * sin(180o – 45o – 12,3o)]/sin12,3o = 7,9 m

Odległość między rzędami powinna wynosić prawie 8 m.

Szczegółowe zasady doboru instalacji solarnych można znaleźć w wytycznych projektowych czołowych producentów instalacji solarnych.

dr inż. Paweł Kowalski

Literatura: w artykule wykorzystano informacje zawarte w wytycznych projektowych instalacji solarnych firmy Viessmann.

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