Temperatura stagnacji a sprawność kolektora słonecznego (2). Ochrona przed przegrzewem

W poprzedniej części artykułu („MI” 4/2014) skupiono się na powiązaniu pojęcia temperatury stagnacji kolektora słonecznego z jego sprawnością. W dzisiejszej części postaram się odpowiedzieć na pytanie, jaka jest zależność temperatury stagnacji i ochrony przed nadmiernymi przegrzewami.

Temperaturę stagnacji określa się na etapie badań certyfikujących zgodnie z normą EN 12975-2 przy okazji wyznaczania charakterystyki sprawności kolektora słonecznego lub na drodze bezpośredniego pomiaru temperatury absorbera przy braku odbioru ciepła i w warunkach nasłonecznienia 1000 W/m2 w temperaturze otoczenia 30ºC.

Jaka jest zależność temperatury stagnacji i ochrony przed nadmiernymi przegrzewami?

Ochrona przed występowaniem nadmiernych temperatur jest jedną z ważniejszych kwestii interesujących użytkowników instalacji solarnej.
Tak zwany stan stagnacji, gdy czynnik grzewczy nie odbiera ciepła z kolektorów słonecznych, może stanowić zagrożenie dla trwałości komponentów instalacji. Kolektory słoneczne spełniające wymagania normy EN 12975-2, na podstawie której przyznaje się certyfikat Solar Keymark, podlegają testom wytrzymałościowym. Między innymi sprawdzana jest odporność konstrukcji kolektora na szoki termiczne i długotrwałe poddawanie intensywnemu promieniowaniu słonecznemu. Ryzyko uszkodzeń w większym zdecydowaniu stopniu zagrażać jednak może pozostałym elementom instalacji solarnej.

Układ kolektorów słonecznych

Rys. 1. Swobodne usuwanie glikolu z orurowania absorbera zapewniają układy z dolnymi przyłączami. Para wodna powstająca w razie wrzenia roztworu glikolu z wodą wypełnia orurowanie od górnej części. Brak zasyfonowań i dolne przyłącza pozwalają na szybkie wypieranie glikolu w początkowej fazie stanu stagnacji. Kolektory płaskie Hewalex w układzie harfowym, a także kolektory próżniowe KSR10 z dolnymi przyłączami, cechuje korzystne zachowanie w razie wystąpienia braku odbioru ciepła (w stanie stagnacji).

Skutki przegrzewu

W praktyce przegrzewanie w instalacji solarnej stanowi zagrożenie przede wszystkim dla trwałości czynnika grzewczego (glikolu).
Długotrwałe i wysokie temperatury w pierwszej kolejności powodują zmianę barwy i zapachu glikolu, co nie stanowi jeszcze powodu do jego wymiany. Znacznie groźniejsza dla instalacji jest postępująca w dalszej kolejności degradacja glikolu, który traci swoje właściwości m.in. antykorozyjne (rezerwa alkaliczna). Wytrącające się z glikolu stałe frakcje ulegać mogą spiekaniu, zatykając przekroje rur kolektora i instalacji solarnej [1].
Wzrastający udział wody w roztworze glikolu grozi zimą zamarzaniem. Dobrej klasy glikole są w stanie wytrzymywać długotrwałe podwyższone temperatury pracy. Instalacje solarne pracują bardzo często z tym samym glikolem przez okres dłuższy niż 10 lat, pod warunkiem dokonywania systematycznych przeglądów.

 Przebieg stagnacji

Rys. 2. Przebieg stagnacji – układ orurowania absorbera z górnymi przyłączami: A – stan normalnej pracy, B – początek fazy stagnacji, wrzenie glikolu i powstawanie pary wodnej (nasyconej), początek wzrostu ciśnienia w instalacji solarnej, pompa obiegowa nie pracuje, C – kontynuacja stanu stagnacji, długotrwałe wrzenie glikolu, para wodna nasycona wypełnia orurowanie absorbera oraz dociera w głąb instalacji solarnej, maksymalny wzrost ciśnienia w układzie (w skrajnej sytuacji otwieranie zaworu bezpieczeństwa), D – ostatnia faza stanu stagnacji, para nasycona skrapla się w przewodach instalacji solarnej, oddając ciepło do otoczenia, ciśnienie w układzie obniża się, orurowanie absorbera wypełnia para przegrzana, zamykając w dolnej przestrzeni czynnik grzewczy – glikol, którego stężenie w roztworze może sięgać 80% (zagrożenie wytrącania osadów) [3].

W skrajnych przypadkach, gdy w stanie stagnacji glikol poddawany będzie długotrwałemu wrzeniu, para wodna powstająca w kolektorze może docierać w głąb instalacji solarnej, co może prowadzić do uszkodzeń naczynia wzbiorczego, pompy obiegowej i pozostałej armatury. Dlatego należy eliminować możliwość występowania przegrzewów – w pierwszej kolejności poprzez odpowiedni optymalny dobór wielkości instalacji solarnej. Jeśli jednak dopuszcza się możliwość występowania przegrzewów w układzie, należy rozważyć, z jakiej metody jej ochrony można skorzystać.

Orurowanie a ochrona

Produkowane obecnie płaskie kolektory słoneczne o wysokich sprawnościach pracy, przeznaczone do zastosowania w warunkach środkowoeuropejskich, mają często określoną temperaturę stagnacji na poziomie wyższym niż 200oC. Kolektory próżniowe mogą mieć jeszcze wyższe temperatury stagnacji na poziomie przekraczającym 300ºC.

Jakie może przynosić to skutki dla elementów instalacji solarnej?

Gdyby były one poddane działaniu takiej temperatury, doszłoby do uszkodzenia np. izolacji cieplnej przewodów, membrany naczynia wzbiorczego czy też wirnika pompy obiegowej.
Tymczasem niektóre kolektory, mimo wysokiej temperatury stagnacji (w certyfikacie Solar Keymark), korzystają z izolacji cieplnej wykonanej z poliuretanu o odporności na temperaturę do 150ºC.

Nie dochodzi do jej uszkodzenia, ponieważ w praktyce temperatury, jakim poddawany jest glikol, są znacznie niższe. W kolektorach płaskich i próżniowych, gdzie absorbery cechują się korzystną konstrukcją do samoczynnego usuwania glikolu w stanie stagnacji, przyrost ciśnienia w kolektorach słonecznych jest nieznaczny. Już we wstępnej fazie stanu stagnacji, glikol przy temperaturze rzędu 140-150oC będzie wypierany z kolektora słonecznego i przez to niepoddawany przegrzewaniu.

Przebieg stanu stagnacji w kolektorach słonecznych jest ściśle uzależniony od układu orurowania absorbera, a także prowadzenia przewodów w obrębie baterii kolektorów. Decydujące jednak znaczenie odgrywa sposób prowadzenia przewodów w absorberze [2]. Jeżeli nie zapewni się możliwości swobodnego usuwania glikolu w początkowej fazie stanu stagnacji, to będzie następowało długotrwałe wrzenie czynnika grzewczego (glikolu). Wskutek tego glikol będzie narażany na długotrwałe występowanie podwyższonych temperatur pracy. Znaczna ilość powstającej pary wodnej może wypełniać orurowanie instalacji solarnej na sporej długości i zagrażać jej elementom – szczególnie naczyniu wzbiorczemu, pompie obiegowej i armaturze pomiarowej itp.

Jaki jest związek temperatury stagnacji kolektora słonecznego z jego ochroną przed przegrzewaniem? Kolektory o bardzo niskiej temperaturze stagnacji mogą w mniejszym stopniu narażać czynnik grzewczy na przegrzewanie, ale także nie będą zapewniać wysokiej sprawności pracy. Niska temperatura stagnacji oznacza wysokie nachylenie krzywej sprawności i obniżenie wydajności kolektora słonecznego przy wyższych temperaturach pracy (patrz część 1 artykułu w „Magazynie Instalatora” 4/2014).

Kluczowe znaczenie dla przebiegu stagnacji ma 2 początkowa faza stagnacji, w której powstająca para wodna w szybki sposób powinna wyprzeć wrzący glikol z orurowania absorbera. Kolektor słoneczny pozbawiony glikolu jest przewidziany na okresową eksploatację w takich warunkach. Z kolei glikol usunięty z kolektora nie będzie poddawany dalszemu przegrzewaniu i wrzeniu, co chroni jego właściwości i zabezpiecza przed uszkodzeniem elementy instalacji solarnej. W stanie stagnacji pompa obiegowa pozostaje wyłączona i glikol z parą wodną nie przepływają przez obieg solarny. Niewielki wzrost ciśnienia nie prowadzi do zbędnego otwierania zaworu bezpieczeństwa i ubytków glikolu.

Konstrukcja absorbera

Ochrona instalacji solarnej przed przegrzewaniem w pierwszej kolejności zależna jest od konstrukcji absorbera [2].

* Funkcja sterownika – ochrona kolektorów przed przegrzewaniem

Doraźną opcję ochrony zapewnia dla instalacji solarnej sterownik. Ma to na celu stworzenie warunków do dodatkowego odbioru ciepła z kolektorów słonecznych w sytuacji występowania nadwyżek ciepła. Sterowniki dla instalacji solarnych posiadać mogą dwie podstawowe funkcje ochronne. Pierwsza z nich to ochrona kolektora przy wzroście temperatury powyżej granicznej (np. 110ºC). O ile temperatura wody użytkowej w podgrzewaczu nie będzie za wysoka, pompa obiegu solarnego zostanie uruchomiona do momentu, aż temperatura w kolektorach obniży się (do 100ºC) lub woda w podgrzewaczu osiągnie dopuszczalną wartość maksymalną (np. 85ºC).

Woda użytkowa będzie podgrzewana do temperatury wyższej niż standardowa (zazwyczaj maks. do 60ºC), co zapewni wydłużenie pracy pompy obiegu solarnego dla zwiększenia odbioru ciepła z kolektorów słonecznych. Należy w tym przypadku tym bardziej zalecić stosowanie termostatycznego zaworu mieszającego na wyjściu wody użytkowej z podgrzewacza dla ochrony mieszkańców przed poparzeniem.

* Funkcja sterownika – nocne chłodzenie (tzw. funkcja urlopowa)

Funkcja urlopowa wprowadza dodatkową ochronę przed przegrzewaniem w określonym przedziale czasu – podczas nieobecności mieszkańców. Jej funkcjonowanie polega na uruchamianiu pompy obiegu solarnego w nocy. Glikol odbiera ciepło poprzez wężownicę podgrzewacza z wody użytkowej, oddając je w kolektorach słonecznych do otoczenia. W ten sposób woda w podgrzewaczu zostaje schładzana, co pozwoli na odbiór ciepła z kolektorów słonecznych w następnym dniu nieobecności mieszkańców w domu.

Funkcję urlopową można wykorzystać jedynie przy zastosowaniu kolektorów płaskich. Kolektory próżniowe, wskutek obniżonych strat ciepła, nie zapewnią odpowiednio intensywnego schładzania wody w podgrzewaczu. Funkcja urlopowa blokuje także pracę konwencjonalnych źródeł ciepła (kotła, grzałki elektrycznej), aby uniemożliwić ewentualne dodatkowe podgrzewanie wody pod nieobecność mieszkańców domu.

* Zalecenia montażowe dla instalacji solarnej

W celu ochrony elementów instalacji solarnej należy wziąć pod uwagę także zalecenia producenta w tym zakresie. W szczególności naczynie wzbiorcze instalowane musi być z podłączeniem górnym lub ewentualnie dolnym z zasyfonowaniem. Proste podłączenie od dołu naczynia będzie narażało jego przeponę na napływ glikolu o podwyższonej temperaturze wskutek sił wyporu.

Rozwój technologiczny w konstrukcji kolektorów słonecznych, a także stosowanie ich do wspomagania ogrzewania budynku spowodowało częstsze występowanie w systemach solarnych podwyższonych temperatur pracy. Przede wszystkim podwyższenie sprawności pracy kolektora słonecznego było skutkiem zastosowania szkła o większej transmisyjności (przepuszczalności) dla promieniowania słonecznego, a także skuteczniejszych izolacji cieplnych i korzystniejszych cech pokryć absorbujących promieniowanie słoneczne.

Zagadnienie ochrony instalacji solarnej przed skutkami stanów stagnacji jest obecnie w znacznej mierze rozpoznane dzięki zainteresowaniu się tym zagadnieniem ośrodków badawczych, szczególnie w Niemczech i Austrii. Na tych rynkach zetknięto się najwcześniej z tego rodzaju problematyką na przełomie lat 90/00, gdy zastosowanie w budowie kolektorów znalazły nowe materiały (szyby, pokrycia absorberów), a także gdy zwiększyło się zastosowanie kolektorów słonecznych do układów wspomagania ogrzewania budynków.

Negatywne skutki stagnacji w systemie solarnym są możliwe w takich przypadkach jak [2]:

– niekorzystny układ orurowania absorbera niezapewniający łatwego opróżniania z czynnika grzewczego (glikolu) w początkowej fazie stanu stagnacji;
– niekorzystne prowadzenie przewodów zasilania i powrotu z baterii kolektorów słonecznych;
– niewłaściwy dobór wielkości naczynia wzbiorczego i jego usytuowanie w systemie solarnym.

Ireneusz Jeleń

Literatura:

1. Materiały Tyforop Chemie GmbH.

2. „Entwicklung von thermischen Solarsystemen mit unproblematischem Stagnationsverhalten“,  AEE INTEC, austriackie Ministerstwo Transportu, Inowacji Technologii (bmvit) 9/2003.

3. „Untersuchungen zum Stagnationsverhalten solartermischer Kollektorfelder“, J. Scheuner, Kassel University.

 

 

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