Kolektory słoneczne – funkcjonowanie małych instalacji

Kolektory słoneczne montowane w latach ubiegłych w Polsce ramach różnych programów dofinansowań musiały posiadać „odpowiednie papiery”. Jednak, jak się okazuje, ich posiadanie nie gwarantuje wysokiej jakości produktu.

Instalacje kolektorów słonecznych (KS) stanowią bardzo popularne rozwiązania wykorzystujące energię środowiska do ogrzania wody użytkowej (c.w.u.). Montowane były one bardzo chętnie w ubiegłych latach w ramach unijnych dotacji oraz dofinansowania przez NFOŚiGW. Do 2012 r. rynek rozwijał się bardzo dynamicznie. Dopłaty spowodowały gwałtowny wzrost ilości montowanych urządzeń, np. w ramach „dopłat kolektorowych” NFOŚiGW powstało blisko 70 tys. instalacji o powierzchni łącznej ponad 480 tys. m2. W ciągu 5 lat trwania programu dofinansowanych zostało ok. 35% wszystkich instalacji montowanych we wspomnianym okresie.

Większość urządzeń ma wykonane (chociaż częściowo) badania zgodnie z normą PN-EN 12975 (obecnie zastąpiona jest ona PN-EN ISO 9806), która mówi, że urządzenia mają spełniać wymagania podstawowe związane z charakterystyką cieplną, a także posiadać odpowiednie właściwości wytrzymałościowe – trwałościowe. Tyle mówi teoria. Urządzenia montowane w ramach dofinansowań musiały posiadać „odpowiednie papiery”, jednak ich posiadanie nie gwarantuje wysokiej jakości produktu.

W ramach systemu dofinansowania montowane były różnego rodzaju urządzenia. Duże zapotrzebowanie na instalacje kolektorów słonecznych przyczyniło się do montażu ich również przez mniej doświadczone (uczące się) ekipy. Jednocześnie instalacje montowane były szablonowo – bez dopasowania do specyficznych warunków każdej instalacji. Czasem montowane były „na siłę”, nadmiernie rozbudowane celem uzyskania odpowiednio wysokiego dofinansowania.

O ile instalacje będące w okresie gwarancji podlegają serwisowaniu, to starsze pozostawiane są „samym sobie”. Instalacje ulegają naturalnym procesom ograniczania właściwości użytkowych. Popełnione błędy podczas doboru i instalowania, niewłaściwego użytkowania, jak też braki w serwisowaniu pogłębiają ten proces. Spowodowało, to że wiele instalacji pracuje na pół gwizdka, dostarczając energii zdecydowanie mniej, niż wynikałoby to z założeń doborowych.

Potwierdziło się to podczas prowadzonych badań. Braki właściwego użytkowania, w tym serwisu, widać dobrze podczas prowadzonych inspekcji, które dodatkowo wykazały nieprawidłowości doborowe, umiejscowienia, w układach hydraulicznych, izolacji, sterowaniu itd.

Istota badań terenowych

Nie była dotychczas przygotowana ogólnie dostępna metodyka umożliwiająca szybkie sprawdzenie/weryfikację, czy wybudowane przed laty instalacje pracują zgodnie z założeniami projektowymi/eksploatacyjnymi.

Prowadzone prace w zakresie badań terenowych małych instalacji kolektorów słonecznych przyczyniły się do przygotowania i zaproponowania metodologii sprawdzenia poprawności funkcjonowania instalacji KS. Ze względu na dużą różnorodność rozwiązań, produktów czy też rozwiązań instalacyjnych, a także ograniczenia w dostępie do instalacji, kompetencji i urządzeń pomiarowych – należało spośród wielu metod badawczych wybrać i opracować jedną uniwersalną.

Prace w ramach badań realizowane były czteroetapowo. Poszukiwanie/opracowanie metod badawczych, które mogłyby być wykorzystane do terenowych badań KS; wybór/dostosowanie najbardziej perspektywicznych do przeprowadzenia kompleksowej, a jednocześnie zwięzłej oceny instalacji; przeprowadzenie badań pilotażowych; dopracowanie metodologii na podstawie zebranych doświadczeń.

Na podstawie prowadzonych analiz i badań zaproponowano działania dwukierunkowe:

* sprawdzenie instalacji pod względem poprawności doboru, montażu oraz eksploatacji;

* pomiary potwierdzające parametry efektywnościowe (deklarowane podczas montażu).

Kolektory słoneczne – metodyka badawcza

W ramach pierwszego etapu zaproponowano sprawdzenie ankietowe instalacji. Obejmuje ono najważniejsze elementy mające wpływ na funkcjonowanie układu. Składa się ona z: charakterystyki instalacji, sprawdzenia poprawności montażu, stanu układu i uwag eksploatacyjnych użytkownika.

Dane zebrane podczas tego etapu dostarczają cennych informacji o sposobie wykonania instalacji. Są cenne do poprawy funkcjonowania, a przy wykonanych obliczeniach/pomiarach uzysku energii dają odpowiedź na temat elementów, które można ulepszyć/poprawić.

Szczególnie istotna jest ekspertyza dotycząca poprawności montażu i określenia stanu instalacji. Uwagi wniesione przez użytkownika pozwalają odpowiednio nakierować wizję lokalną. Cenną informacją może dotyczyć serwisowania, naprawiania.

W ramach prowadzonych badań/pomiarów sprawdzono funkcjonowanie instalacji pod względem technicznym. Wykorzystano w tym celu badania termograficzne, badania/obliczenia ilości dostępnej/pozyskanej energii, w tym badania przepływu czynnika roboczego. Prowadzone pomiary uzupełnione zostały stosowaną obróbką danych przy wykorzystaniu narzędzi w postaci: programu do obróbki termogramów, programu symulacyjno-obliczeniowego instalacji KS.

Kolektory słoneczne – rodzaje badań

* Badania termowizyjne

Badania termowizyjne pozwalają na znalezienie anormalnego profilu temperatury zarówno na przetworniku słonecznym, instalacji, łączeniach hydraulicznych, zasobnikach, wymiennikach, jak i na pompie, elementach elektrycznych. Są one przyczyną nieprawidłowości w izolacji układu, łączeniu. Nieprawidłowe rozkłady temperatury (zbyt wysokie na powierzchni izolowanych układów) dostarczają informacji o niekontrolowanej ucieczce ciepła, a w przypadku urządzeń elektrycznych – o tzw. przegrzewach.

Braki izolacji lub nieprawidłowość w jej wykonaniu mogą być potwierdzone lub wykazane podczas badań termowizyjnych. Termografia jest metodą prostą, szybką, a co ważne – nieinwazyjną.

Po paru latach eksploatacji instalacji termowizja pozwala na weryfikację poprawności wykorzystania materiałów (czy nie uległy degradacji pod wpływem wysokich temperatur, działania warunków zewnętrznych).

W badaniach termograficznych istotne mogą być parametry zastosowanej kamery: wielkość matrycy (dużą ilość szczegółów zapewniają urządzenia z zakresu 320 x 240), kąt widzenia kamery (standardowy obiektyw 24° x 18° powinien być wystarczający). W przypadku konieczności ujęcia większej instalacji przy ograniczonej ilości miejsca zastosować należy obiektyw szerokokątny. Przydatnymi funkcjami w kamerze jest zadawanie współczynników emisyjności obserwowanych materiałów czy wskazanie maksymalnej temperatury na analizowanym obrazie.

Oprócz wykonania zdjęcia ważna jest również jego analiza.

* Określenie ilości dostępnej energii słonecznej

Aby oszacować efektywność instalacji słonecznej, należy określić ilość energii, jaka dociera do przetwornika. Niezbędny jest do tego czujnik, który zmierzy moc promieniowania słonecznego (tę informację uzyska się już z najprostszych solarymetrów). Czujnik umieszcza się w płaszczyźnie przetwornika. Celem określenia ilości energii należy rejestrować dostępną moc w funkcji czasu. Długość rejestracji – ilości energii promieniowania słonecznego uzależniona jest od możliwości monitoringu odbiornika ciepła (obserwacja wzrostu temperatury w zasobniku). Zaleca się, aby pomiary trwały co najmniej kilka godzin. W poprawnie wykonanych instalacjach pozwoli to na ogrzanie zasobnika ciepła, w gorzej wykonanych zapewni obserwowalny przyrost temperatury. Ze względu na dużą zmienność promieniowania w czasie pomiaru powinny być wykonywane odpowiednio dużą częstotliwością rejestracji. Optymalnym rozwiązaniem może być krok co 10-15 s. Dopuszczalna jest częstotliwość co 1 minutę.

* Obliczenie/zmierzenie pozyskanej energii cieplnej

Określenia ilości uzyskanej energii cieplnej dokonać można na dwa sposoby: mierząc czas nagrzewania się zasobnika c.w.u. i przyrost temperatury oraz obliczając ilość potrzebnej do tego celu energii; wykorzystując ciepłomierz. Obliczenia mają charakter po części teoretyczny, nie uwzględniają bowiem zawsze występujących strat ciepła. Kontynuując obliczenia, uzyskać można sprawność konwersji – jako iloraz uzyskanej energii do energii dostarczanej do przetwornika (dla poprawnie funkcjonujących instalacji powinna wynosić 40-50%). Zastosowanie ciepłomierza pozwala na określenie ilości przesyłanej energii, np. umieszczenie miernika przed zasobnikiem pozwala na określenie ilości ciepła, jakie zostanie dostarczone do odbiornika. Można do tego celu wykorzystać urządzenie opisane w kolejnym rozdziale – miernik ultradźwiękowy montowany na instalacji.

* Sprawdzenie przepływów w instalacji KS

Przepływ w instalacji jest „siłą napędową” przekazywania ciepła z kolektora do odbiornika (zasobnika). Duże przepływy mogą gwarantować szybkie dostarczenie ciepła, niskie przyrosty temperatur i wysoką efektywność – niestety związane jest to z nieco większym zużyciem energii wywołanym zwiększonym oporem przepływu. Niskie przypływy ograniczają nakłady na energię elektryczną i przyczyniają się do wyższych przyrostów temperatury.

Dla instalacji ze zmienną prędkością obrotową pompy – wyższe przepływy występują przy wyższym DT (między KS a zasobnikiem). Dzieje się tak szczególnie w początkowym okresie załączenia się układu pompowego. Duże przepływy pozwalają na szybsze przekazanie energii – ograniczenie samoistnego wychładzania się urządzenia. Mniejsze przepływy występują przy niższych DT (niezbyt wysokie promieniowanie słoneczne lub po początkowym okresie zrzutu ciepła z kolektora).

Przepływ zadawany jest instalacji ręcznie dla pomp regulowanych ręcznie (wybór jednego z trzech biegów) lub automatycznie dla pomp elektronicznych. W jednym i drugim przypadku można dosyć precyzyjnie określić przepływ, korzystając z nomogramów dostarczonych do pomp i znajomości oporów przepływów. Przepływy te można potwierdzić często występującymi na instalacji przepływomierzami pływakowymi.

W instalacjach słonecznych zalecane są różne wartości przepływu (z przedziału 30-60 l/min). Dla mniejszych systemów stosuje się większe przepływy.

Najdokładniejszym sposobem poznania rzeczywistych przepływów jest pomiar przepływomierzem elektronicznym. Pozwala on na zweryfikowanie mogących pojawić się anomalii na instalacji. Przepływomierz ultradźwiękowy – wersja przenośna nakładana na instalację – pozwala nie tylko dokładnie określić przepływ, ale szybko zmierzyć ilość przekazywanego ciepła (przy wykorzystaniu dwóch czujników temperatury). Informacja to w połączeniu z obliczeniami pozwala precyzyjnie zlokalizować miejsca strat oraz ich wielkość.

Weryfikacja metodyki badawczej

W ramach walidacji opracowanej metodologii poddano ekspertyzie parę obiektów, na podstawie których sprawdzono poprawność stosowanej metodologii.

Przed przystąpieniem do badań instalacji należało dokonać charakterystyki instalacji, korzystając z ankiety przedstawionej wcześniej. Określenie lokalizacji można dokonać przy pomocy mapy lub odbiornika GPS. Ustalenie kierunku ustawienia przetwornika można dokonać kompasem, zaś kąt nachylenia może zostać określony z wykorzystaniem kątomierza.

Na rynku występują mierniki elektroniczne określające kierunek geograficzny i kąt nachylenia (tego typu rozwiązanie zastosowano). Aby określić zacienienie należy obserwować operację słońca szczególnie od kierunku potencjalnego elementu zacieniającego. Pamiętać należy, że długość cienia rośnie wraz z ograniczeniem ilości promieniowania słonecznego i obniżeniem kąta padania.

Następnie opisuje się instalację, korzystając z dokumentacji, tabliczek znamionowych.

Określenie prawidłowości montażu czy stanu instalacji wymaga wiedzy eksperckiej. Podczas oglądu należy sprawdzić poprawność zamontowania czujników i stan połączeń.

Wywiad prowadzony z użytkownikiem powinien dostarczyć również informacji eksploatacyjnych, ewentualnych problemów, napraw.

Podczas prowadzonych ekspertyz wykorzystano:

* kamery termowizyjne (Flir E6 i C2);

* urządzenie wielofunkcyjne słoneczne Benning Sun 2 (pomiar kierunku, kąta, temperatur i ilości energii);

* stacja meteo Delta T (całkowicie może być zastąpiona czujnikiem Benning Sun 2);

* przepływomierz z pomiarem temperatury Enko UPT 11.

Prowadzone badania potwierdziły uniwersalność i skuteczność zaproponowanej metodologii.

Podsumowanie

Badane instalacje są przykładem obiektów związanych z boomem na kolektory słoneczne. Posiadają niedoskonałości, które wpływają zdecydowanie na obniżenie wydajności. Projekt badawczy może być pierwszym etapem w przeprowadzeniu badań na szerszą skalę celem określenia rzeczywistych efektów wykorzystania instalacji kolektorów słonecznych.

dr inż. Krystian Kurowski, WBNS/UKSW

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