Polska jest krajem specyficznym pod względem wykorzystania energii słonecznej. Dni o odpowiednio wysokim nasłonecznieniu jest zbyt mało, by mogła być naprawdę efektywnie wykorzystana do celów ogrzewczych. Jednocześnie dzięki temu rodzajowi energii można pokryć nawet do 60% zapotrzebowania na energię do przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Nie samym kolektorem...
Kolektor odgrywa kluczową rolę w zdobywaniu energii promieniowania słonecznego, zatrzymywaniu jak największej jej części oraz przekazaniu jej do czynnika grzewczego. Zadaniem pozostałych elementów instalacji jest przekazanie energii zimnej wodzie, dzięki czemu uzyskana ona wymaganą przez użytkownika temperaturę. Dla prawidłowej pracy ważne są też elementy automatyki – czujniki i regulatory.
Kolektory próżniowe
Na naszych dachach najbardziej popularne są kolektory płaskie, ale nie są one jedynymi modelami dostępnymi na krajowym rynku. Coraz większa jest grupa zwolenników rurowych kolektorów próżniowych. Z daleka na dachu oba urządzenia wyglądają podobnie, ale jest wiele różnic w ich konstrukcji. Panel takiego kolektora składa się z rur próżniowych, wykonanych ze specjalnego hartowanego szkła borosilikatowego (widok na zdjęciu). Rura próżniowa ma podwójną ściankę i jest prawie doskonale zaizolowana – w przestrzeni pomiędzy warstwami ścian panuje próżnia. Dzięki temu pozyskane ciepło nie ucieka do otoczenia. Oznacza to małe straty, a więc wysoką sprawność i stanowi najważniejszą przyczynę rosnącej popularności kolektorów próżniowych. Z ich budową wiążą się inne cechy odróżniające je od kolektorów płaskich:
- wysoka sprawność – w zimie sprawność jest większa; kolektor gromadzi energię nawet przy temperaturach ujemnych;
- pochłanianie także promieniowania rozproszonego – większa sprawność w okresie zachmurzenia;
- mniejsza zależność sprawności od położenia Słońca;
- łatwiejszy montaż – na dachach płaskich i fasadach;
- odporność na uszkodzenia mechaniczne (np. gradobicie) oraz zmieniające się warunki pogodowe zapewniona przez zastosowanie szkła hartowanego.
Instalacje solarne
Zadaniem instalacji solarnej jest przekazanie ciepła pochłoniętego przez kolektor do podgrzewacza wody użytkowej. Instalacja ta składa się z rur miedzianych, w których płynie płyn solarny. Stosuje się glikol – specjalny alkohol, który nie zamarza, a więc gwarantuje pracę instalacji nawet w temperaturze -35°C. Początkowe fragmenty to rury miedziane umieszczone wewnątrz rur próżniowych. Są one pokryte specjalną powłoką, która dodatkowo usprawnia zdobywanie energii. Najlepsza jest powłoka selektywna – mówiąc w uproszczeniu: pochłania dużo energii, a wypuszcza (traci) mało. Dalsza część instalacji to odpowiednio izolowane rury miedziane. Do instalacji solarnej należy stosować rury oraz materiały izolacyjne przeznaczone specjalnie do tego celu. Nie nadają się ani rury miedziane przeznaczone np. do wody ani wykorzystywane w takich instalacjach materiały izolacyjne (konieczne są rury miedziane lutowane na twardo). Niewłaściwy dobór rur może spowodować ich szybką korozję, a izolacji – straty ciepła w instalacji, przez co można stracić zyski wynikające z zastosowania wysokosprawnego kolektora próżniowego. Źle dobrana izolacja może też po prostu zostać uszkodzona ze względu na wysoką temperaturę panującą w instalacji.
Na wyjściu instalacji miedzianej z kolektora trzeba umieścić odpowietrzenie, dzięki któremu wewnątrz przewodów nie będzie warunków sprzyjających korozji (mniej powietrza utrudnia procesy korozji). Odpowietrzenie zapewnia też lepsze warunki przepływu i prawidłowy odbiór ciepła.
Instalacje solarne kończą się przed wymiennikiem ciepła, w którym następuje podgrzanie wody. Glikol wpływa do specjalnej wężownicy – jest to odpowiednio wygięta rura miedziana (stalowa). Jej kształt umożliwia dużą powierzchnię kontaktu między ściankami rurki a wodą, która z zewnątrz omywa wymiennik, dzięki czemu odbiera od glikolu ciepło i podgrzewa się.
Podgrzewanie wody
Podgrzewanie wody do temperatury wymaganej przez prawo (45-55°C) i ustawionej przez użytkownika następuje dzięki wymianie ciepła między wymiennikiem ciepła a zimną wodą. Wymiennik ma postać odpowiednio wygiętej rury miedzianej (wężownicy), wewnątrz której płynie podgrzany glikol. Wężownica nie jest izolowana, dzięki czemu ciepło z glikolu łatwo przepływa przez jej ścianki do zimnej wody opływającej wymiennik. Tak podgrzana woda kierowana jest do instalacji domowej. Schłodzony glikol wypływa z wymiennika i drugą nitką instalacji (zasilanie kolektora) wraca do rurek miedzianych wewnątrz rur próżniowych kolektora. Tam ponownie jest podgrzewany.
Wymiennik może być ukryty w podgrzewaczu lub (częściej) zasobniku, który stanowi jednocześnie magazyn ciepłej wody. Oprócz właściwej wielkości zbiornika (musi być dostosowany do ilości osób korzystających z ciepłej wody), jego niewielkiego ciężaru i estetyki ważne są następujące cechy:
- zabezpieczenie antykorozyjne zbiornika. Najczęściej stosuje się emalię ceramiczną (kwarcową), zaś dodatkowym elementem zabezpieczającym są anody magnezowe, których obecność zapobiega korozji elektrochemicznej;
- zabezpieczenie przed bakteriami z rodzaju Legionella, które rozwijają się bardzo dobrze w środowiskach zastoju wody. Woda powinna być ogrzewana szybko i równomiernie – jest to możliwe dzięki odpowiedniej konstrukcji rurek wężownicy;
- możliwość podłączenia czujników (wbudowane osłony na czujniki) – ich obecność umożliwi sterowanie automatyczne pracą systemu solarnego;
- możliwość zamontowania elektrycznego modułu grzewczego.
Pompa (zestaw pompowy)
Ponieważ z reguły zbiornik wody ciepłej umieszcza się niżej niż kolektor (np. w piwnicy), trzeba zapewnić przepływ czynnika grzewczego (glikolu) od kolektora do wymiennika ciepła oraz jego powrót. Dlatego bardzo ważnym elementem zestawu solarnego jest pompa. Musi być to specjalne urządzenie przystosowane do pracy z glikolem, dobrze zaizolowane (np. sztywny styropian). Zadaniem zestawu pompowego jest nie tylko zapewnienie przepływu odpowiedniej ilości glikolu z odpowiednią prędkości, ale też kontrola przepływu, temperatury oraz ciśnienia. Pompa musi być zamontowana na przewodzie zasilającym kolektor (prowadzącym zimny glikol), między kolektorem a zasobnikiem. Elementami uzupełniającymi pompę są urządzenia gwarantujące bezpieczeństwo pracy pompy – naczynie wzbiorcze (przeponowe), które rekompensuje wzrost ciśnienia wynikający z podgrzewania czynnika grzewczego oraz zawory, które będą działały w sytuacjach awaryjnych.
Sterowanie i regulacja
Dla optymalnej pracy układu podgrzewania ciepłej wody niezbędne jest sterowanie pracą układu, zależnie od zmiany parametrów pracy, przede wszystkim temperatur.
Do regulatora podłącza się dwa czujniki – kolektora słonecznego i zasobnika ciepłej wody. Zależnie od różnicy temperatur między tymi urządzeniami regulator decyduje o pracy pompy, która zapewnia przepływ czynnika grzewczego. Przy większej różnicy temperatur pompa pracuje z większymi obrotami, zatem podgrzewanie wody jest bardzo intensywne. Przy mniejszej różnicy temperatur, czyli kiedy ciepła woda jest już podgrzana, pompa pracuje wyraźnie wolniej lub wyłącza się. Tego typu regulacja pozwala zapewnia pracę układu podgrzewania wody zgodnie z aktualnymi potrzebami. Regulator pozwala też na zabezpieczenie przed sytuacjami awaryjnymi:
- przegrzanie wody w zasobniku – regulator sprawia, że pompa przestaje pracować, gdy temperatura wody w zbiorniku przekroczy wartość ustaloną jako maksymalną;
- przegrzanie kolektora – regulator powoduje włączenie pompy, gdy temperatura kolektora wzrośnie powyżej granicznej wartości bezpiecznej. Włączenie pompy powoduje, że do kolektora popłynie schłodzony glikol, co pomoże obniżyć temperaturę do wartości bezpiecznej. Ochrona kolektora traktowana jest przez regulator jako priorytetowa (ważniejsza od ochrony zasobnika);
- uszkodzenie jednego z czujników – pompa zostaje włączona.
Regulator wyświetla ikonki ostrzegawcze w przypadku wystąpienia sytuacji awaryjnej.
Nie zapomnij o kontroli!
Na urządzenia wchodzące w skład zestawu solarnego otrzymujemy od producenta gwarancję. Najdłuższy, bo nawet pięcioletni okres gwarancyjny dotyczy kolektorów i wymiennika ciepła, zaś pozostałe elementy mają zazwyczaj roczny okres gwarancji. Trzeba jednak pamiętać, że warunkami gwarancji jest prawidłowy montaż i eksploatacja.
Montaż i rozruch powinien być wykonany przez kwalifikowaną ekipę. Dotyczy to także napełnienia instalacji płynem solarnym. Wymagane są tu warunki bardzo małego nasłonecznienia, dlatego najlepiej przeprowadzić ten proces rano lub wieczorem, ewentualnie przy silnym zachmurzeniu. Firma instalatorska powinna przeszkolić użytkowników w zakresie obsługi zestawu solarnego.
Niezależnie od tego, raz na pół roku należy dokonać kontroli poprawności pracy instalacji:
- połączenia, uszczelnienia, izolacja przewodów;
- ciśnienie w instalacji i wysokość strumienia przepływu;
- przyłącza elektryczne, praca czujników, praca regulatora;
- praca pompy obiegowej;
- działanie zaworu bezpieczeństwa i naczynia przeponowego.
