Kolektory słoneczne w istniejącym budynku - możliwości instalacji

Instalacje do przygotowywania ciepłej wody użytkowej  

Standardowy schemat instalacji

W sieciach handlowych sprzedawane są tzw. kompletne zestawy solarne do podgrzewu ciepłej wody użytkowej. Wyposażone są one we wszystkie podstawowe podzespoły, a ich integralną częścią są zasobniki solarne z dwiema wężownicami (rys. 1).

Instalacja solarna z dwoma zasobnikami

W przypadku gdy uzyskanie wymaganej pojemności zasobnika dla zmagazynowania ciepłej wody użytkowej nie może być zrealizowane przy zastosowaniu pojedynczego zbiornika albo w przypadku rozbudowy istniejącej instalacji, stosuje się układ z dwoma zasobnikami. W takich sytuacjach zakłada się grzanie cieplejszego zbiornika (priorytet) zawsze wtedy, gdy występuje wystarczająca ilość promieniowania słonecznego do zrealizowania tego celu.

W momencie gdy promieniowanie słoneczne jest słabsze, ładowany jest chłodniejszy zasobnik, dzięki temu temperatura kolektorów słonecznych podczas przyrostu promieniowania nie może się zwiększyć do poziomu zasobnika z priorytetem. W takim systemie wymagane jest zastosowanie poza czujnikami temperatury dodatkowego czujnika, który mierzy wielkość aktualnego natężenia promieniowania. Wraz ze wzrostem natężenia promieniowania słonecznego czujnik taki daje sygnał do przełączenia grzania na zasobnik priorytetowy.

Instalacja solarna z buforem ciepła

Budowa i funkcjonowanie takiej instalacji są podobne jak standardowej. Różnica polega na tym, że w buforze znajduje się woda instalacji grzewczej, która grzana jest do wymaganej temperatury energią słoneczną albo dodatkowym źródłem ciepła (rys. 2).

Dzięki zastosowaniu pojedynczego zbiornika straty ciepła są mniejsze, a stopień wykorzystania instalacji solarnej wysoki.

Najważniejszą zaletą tego systemu jest wyeliminowanie ryzyka rozwoju bakterii Legionella. Ciepłą wodę użytkową uzyskuje się w przepływowym wymienniku ciepła. Jego precyzyjne zwymiarowanie jest bardzo ważne i wydajność należy dostosować do wartości szczytowego poboru ciepłej wody użytkowej.

Obwód grzewczy zasilany jest bezpośrednio z bufora ciepła. Sterownik dogrzewu bufora wymaga zastosowania inteligentnej regulacji zaworu trójdrogowego, ponieważ w zależności od poboru energii do podgrzewu ciepłej wody użytkowej albo do ogrzewania pomieszczeń musi następować ładowanie warstwowe górnej lub środkowej części bufora ciepła. Regulator działa podobnie jak w standardowej instalacji solarnej.

Zabudowa w istniejących instalacjach

Sporym segmentem rynku instalacji solarnych są modernizowane budynki jedno- i dwurodzinne. W budynkach tych często znajdują się kotły grzewcze o dobrej wydajności, których okres użytkowania jest niewielki, a zasobnik ciepłej wody użytkowej jest dobrej jakości. W takim przypadku nie jest wymagana modernizacja systemu grzewczego albo instalacji ciepłej wody użytkowej, ale zastosowanie instalacji solarnej może znacznie poprawić zaopatrzenie w c.w.u.

Praktycznie każda instalacja będąca rozbudową sieci istniejącej w budynku stanowi szczególny przypadek.

W trakcie planowania instalacji należy przeanalizować istniejące potrzeby, sposób wykonania instalacji oraz możliwość wykorzystania istniejących elementów, jak również oczekiwania użytkownika.

Szczególną uwagę należy poświęcić systemowi regulacji instalacji, gdyż najczęściej zastosowane rozwiązania będą inne niż dla instalacji nowych. Zastosowane w tym przypadku regulatory solarne muszą być kompatybilne z istniejącymi w budynku regulatorami urządzeń grzewczych, co oznacza, że nie mogą zakłócać ich pracy, a generalnie nie powodować wyłączenia urządzeń zabezpieczających kocioł.

Podłączenie instalacji solarnej w przypadku rozbudowy istniejącej instalacji realizowane jest najczęściej na dwa sposoby:

• W pierwszym dokonuje się wymiany istniejącego zasobnika na dwuwężownicowy zasobnik solarny. Możliwe jest wówczas wykorzystanie istniejącej pompy ładującej oraz regulatora. Trzeba pamiętać, że należy również wykorzystać istniejący czujnik temperatury, ponieważ jest on kompatybilny z regulatorem. W razie potrzeby trzeba przedłużyć kabel albo wymienić na nowy, oferowany przez producenta kotła.
• W drugim przypadku następuje montaż zasobnika z jedną wężownicą przed istniejącym układem przygotowania ciepłej wody użytkowej (rys. 3a i rys. 3b). Wtedy regulator obwodu solarnego musi przejąć funkcję dogrzewu i komunikować się z regulatorem kotła, żeby zachowana była funkcja priorytetu ciepłej wody użytkowej. Tylko w ten sposób uniknie się w trakcie dogrzewania wychładzania zasilania obiegu grzewczego albo zbyt długiego okresu dogrzewu.

W przypadku zastosowania kolektorów słonecznych w budynku z istniejącym zasobnikiem, który - jak się może okazać - ma zbyt małą pojemność, zachodzi potrzeba zainstalowania dodatkowego zasobnika solarnego. W zależności od proporcji pojemności pomiędzy zasobnikiem solarnym a istniejącym może być konieczne zastosowanie układu mieszającego (rys. 3b).

Instalacje do przygotowywania c.w.u. i wspomagania ogrzewania

Solarne ogrzewanie - warunki brzegowe

W bilansie energetycznym standardowego budynku jednorodzinnego przeważająca część energii zużywana jest na jego ogrzewanie. Pojawia się więc potrzeba wykorzystania promieniowania słonecznego do ogrzewania budynków.

Wymogiem podstawowym zastosowania solarnego systemu grzewczego jest wysoki standard energetyczny budynku. Pozwala to bowiem na ograniczenie wielkości zastosowanej instalacji solarnej, a co za tym idzie, na zmniejszenie nakładów inwestycyjnych.

Największym problemem w przypadku solarnej instalacji grzewczej jest dysproporcja pomiędzy potrzebami grzewczymi a możliwością ich zaspokojenia przez promieniowanie słoneczne (maksimum promieniowania w lecie pokrywa się z minimum potrzeb cieplnych związanych z ogrzewaniem i na odwrót).

Nie można dopuścić do sytuacji, gdy ciepło pozyskane przez kolektory słoneczne jest marnotrawione. Oznacza to, że instalacja powinna w pełni wykorzystywać dostępne promieniowanie słoneczne. Wiąże się to z koniecznością magazynowania energii.

Ponieważ energia słoneczna ma być wykorzystywana do grzania budynku, należy zadbać o jej zgromadzenie bezpośrednio w czynniku grzewczym.

Rozwiązania technologiczne

Przy opracowywaniu koncepcji solarnego wspomagania ogrzewania należy się kierować następującymi założeniami:

• zabudowa kompletnego zestawu solarnego: projektowanie zestawu wymaga do­świadczenia oraz sporo czasu. Zakup kompletnego zestawu w renomowanej firmie pozwala na uniknięcie niespodzianek;
• wykorzystanie komponentów już istniejących w budynku musi być szczegółowo przeanalizowane: należy przeprowadzić rozmowę ze zleceniodawcą w celu przekonania go do zalet proponowanego rozwiązania oraz pokazania wad, które mogą wynikać z wykorzystania elementów przez niego sugerowanych;
• instalacja powinna być możliwie prosta pod względem konstrukcyjnym oraz łatwa w obsłudze i regulacji: czasami warto poświęcić kilka procent uzysku instalacji solarnej, ale osiągnąć wymienione cele.

Dla optymalnego wykorzystania warstwowego ładowania w instalacjach do wspomagania ogrzewania stosuje się technikę wolnego przepływu (low-flow). Pozwala to bowiem na uzyskanie znacznego przyrostu temperatury na kolektorach słonecznych, a co za tym idzie, bezpośrednio wymaganej temperatury ciepłej wody użytkowej, a nawet temperatur wyższych.

W instalacjach do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz wspomagania ogrzewania stosuje się trzy podstawowe systemy. Są to systemy z oddzielnym magazynowaniem energii w zasobniku ciepłej wody użytkowej oraz w buforze ciepła lub systemy z jednym zbiornikiem. W przypadku systemu z jednym zbiornikiem jest to tzw. zasobnik kombinowany, bufor ciepła z wewnętrznym przepływowym systemem przygotowania ciepłej wody użytkowej albo bufor ciepła z zewnętrzną stacją przygotowania c.w.u.

W przypadku instalacji solarnej z dwoma zbiornikami (rys. 4) oba zbiorniki mogą być ładowane z kolektorów słonecznych w zależności od poziomu osiąganych temperatur. Ciepło z kolektorów słonecznych przełączane jest na poszczególne zbiorniki za pośrednictwem zaworu trójdrożnego.

W przypadku gdy kolektory słoneczne nie są w stanie zapewnić wymaganych temperatur, zbiorniki są dogrzewane dodatkowym źródłem ciepła.

Zalety wynikające z takiego systemu to: wysoki wskaźnik wykorzystania instalacji solarnej w obwodzie przygotowania ciepłej wody użytkowej dzięki niskiemu poziomowi temperatur wynikającemu z dopływu zimnej wody, relatywnie prosta budowa zbiorników z możliwością wykorzystania zasobnika istniejącego oraz możliwość stosowania w dużych budynkach. Wadami są większe straty ciepła niż w zbiorniku kombinowanym, wyższe nakłady instalacyjne oraz trudniejsza regulacja.

W przypadku zintegrowania zasobnika ciepłej wody użytkowej z buforem ciepła uzyskujemy zbiornik kombinowany (rys. 5), przez co upraszcza się obwód solarny oraz regulacja.

Ciepło z kolektorów słonecznych oddawane jest wodzie grzewczej, która z kolei ogrzewa zanurzony w niej zasobnik ciepłej wody użytkowej. Zasobnik ten powinien sięgać możliwie jak najdalej w dół bufora, żeby dopływająca zimna woda utrzymywała dolny obszar bufora, w którym znajduje się wężownica solarna, na niskim poziomie temperatury.

W przypadku takiego rozwiązania pojemność zasobnika c.w.u. stanowi mniej więcej 25% objętości bufora. Zaletami systemu są: zwarta budowa, niskie nakłady instalacyjne i regulacji, niższe koszty.

Dla efektywnego wykorzystania energii słonecznej w zasobnikach kombinowanych niezbędne jest zastosowanie warstwowego ładowania i rozładowania ciepła, które pozwoli na utrzymanie warstw temperaturowych w zasobniku. Ważne jest również, żeby w poszczególnych obwodach instalacji stosować optymalnie dobrane strumienie przepływu oraz zadbać o minimalizację strat ciepła na recyrkulacji.

Uzyskanie takich efektów w pokazanym powyżej zbiorniku kombinowanym z pojedynczą wężownicą jest utrudnione. Lepszy efekt wykorzystania energii słonecznej można uzyskać, stosując zbiornik kombinowany z dwiema wężownicami solarnymi (rys. 6b) lub ładowanie warstwowe poprzez zewnętrzny wymiennik solarny (rys. 6a). 

W systemach z buforem posiadającym wewnętrzny wymiennik przepływowy ciepłą wodę użytkową uzyskuje się w trakcie jej przemieszczania się przez wymiennik umieszczony wewnątrz bufora wody grzewczej (rys. 7). Wymiennikiem takim jest najczęściej karbowany wąż o dużej powierzchni wymiany ciepła.

W przypadku instalacji solarnej z zewnętrznym wymiennikiem ciepłą wodę uzyskuje się systemem przepływowym przy wykorzystaniu płytowego wymiennika ciepła wraz z pompą o regulowanej wydajności (podobnie jak na rys. 6a). Dzięki regulowanej wydajności pompy można uzyskać stały przyrost temperatury ciepłej wody użytkowej przy zmiennej temperaturze cieczy solarnej.

W obu powyżej opisanych przypadkach kocioł grzewczy doprowadza ciepło do bufora. Dzięki temu buforuje się „piki” poboru energii grzewczej. Unika się również częstego taktowania (za- i wyłączania się) kotła w przypadku małych poborów energii grzewczej, co odgrywa niepoślednią rolę w ograniczeniu zbędnej emisji. W układach z kotłem na drewno system taki jest niezastąpiony. Równocześnie wydajność instalacji solarnej w takim systemie bardzo zależy od poziomu temperatur na powrocie z obwodu grzewczego.

Instalacja solarna do podnoszenia temperatury powrotu z obiegu grzewczego (rys. 9) służy głównie do solarnego przygotowania ciepłej wody użytkowej. Przy niedoborach energii słonecznej pracuje kocioł grzewczy. Kocioł zasila również bezpośrednio instalację grzewczą.

W sytuacjach gdy temperatura w dolnej części zbiornika przekracza o zadaną wartość temperaturę powrotu z instalacji grzewczej, następuje przełączenie zaworu trójdrożnego na powrocie z instalacji i skierowanie wody grzewczej do zbiornika. Zadanie to realizuje regulator wyposażony w czujnik temperatury powrotu z instalacji grzewczej. Dzięki temu zwiększona zostaje temperatura wody grzewczej, zanim kocioł podgrzeje ją do zadanej temperatury zasilania.

Zaletami takiego systemu są: niższe temperatury w zbiorniku w okresie grzewczym, a tym samym mniejsze straty ciepła. Wady to częstsze załączanie się kotła, gdyż zbiornik nie posiada funkcji bufora, oraz możliwość zastosowania jedynie w kotłach z modulowanym palnikiem albo dużym zbiornikiem.

W obu powyżej opisanych przypadkach kocioł grzewczy doprowadza ciepło do bufora. Dzięki temu buforuje się „piki” poboru energii grzewczej. Unika się również częstego taktowania (za- i wyłączania się) kotła w przypadku małych poborów energii grzewczej, co odgrywa niepoślednią rolę w ograniczeniu zbędnej emisji. W układach z kotłem na drewno system taki jest niezastąpiony. Równocześnie wydajność instalacji solarnej w takim systemie bardzo zależy od poziomu temperatur na powrocie z obwodu grzewczego.

Instalacja solarna ze zbiornikiem z wewnętrznym wymiennikiem przepływowym i zabudowanym kotłem odróżnia się od przedstawionych powyżej wariantów bezpośrednią zabudową kotła w zbiorniku (rys. 10). Takie kompaktowe rozwiązanie dostępne jest na rynku i wymaga jedynie podłączenia do instalacji grzewczej oraz obwodu ciepłej wody, jak również podłączenia zasilania kotła i przewodu odprowadzenia spalin. Zaletami takiego systemu są: mały koszt montażu, minimalne straty ciepła oraz niewielki obszar zabudowy.

Instalacja solarna z buforem ładowanym warstwowo pracuje w systemie wolnego przepływu, a ładowanie bufora odbywa się poprzez zewnętrzny wymiennik solarny (rys. 8). Dzięki takiemu rozwiązaniu możliwe jest efektywne grzanie górnej części bufora nawet przy stosunkowo małym nasłonecznieniu. Ogranicza to wielkość energii doprowadzanej z kotła grzewczego oraz poprawia wartość wskaźnika pokrycia solarnego. Wymogiem jest system inteligentnej regulacji.

Zaletą systemu jest zwarta budowa, a co za tym idzie, małe straty ciepła i wysoka sprawność dzięki ładowaniu warstwowemu. Wadami: zależność sprawności instalacji solarnej od poziomu temperatur obwodu grzewczego i dodatkowe nakłady na regulację.

Literatura

1. Materiały kraju związkowego Badenii-Wirtembergii, www.baden-wuerttemberg.de.
2. Zawadzki M., Kolektory słoneczne, pompy ciepła na tak, Wydawnictwo Polska Ekologia, 2003.
3. www.jenni.ch.