Ochrona instalacji solarnej przed przegrzewaniem

Optymalne temperatury pracy kolektora słonecznego

Możliwości występowanie przegrzewów w instalacji solarnej

Sposoby ochrony instalacji solarnej przed przegrzewaniem

Wydanie 1/2015

30.05.2015

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl

2

Prawidłowe warunki eksploatacji

dla instalacji solarnej

Prawidłowy dobór instalacji solarnej powinien zapewniać warunki do stałego

odbioru ciepła, gdy występuje korzystne nasłonecznienie. Przerwy w odbiorze

ciepła negatywnie odbijają się na efekcie ekonomicznym, gdyż przy poniesionych

już kosztach inwestycyjnych, nie jest pozyskiwane ciepło o niskim koszcie

wytworzenia. Przerwy w wykorzystaniu instalacji solarnej będą tym samym

wydłużać okresy zwrotu kosztów poniesionych środków finansowych.

3

Funkcjonowanie małej instalacji solarnej

Podgrzewanie wody użytkowej następuje, gdy temperatura mierzona

w kolektorach słonecznych () będzie wyższa od temperatury wody ()

o ustaloną różnicę, np. 8 K. Podczas ustabilizowanej pracy instalacji solarnej,

temperatura mierzona w kolektorach słonecznych jest wyższa od temperatury

wody przeciętnie o 10÷20 stopni (zależnie m.in. od nastawy natężenia przepływu).

Dopóki woda użytkowa w podgrzewaczu

może odbierać ciepło, zapewniając odbiór

ciepła z kolektorów słonecznych, nie

występują przegrzewy prowadzące do tzw.

stanów stagnacji („postój”). Ważny jest więc

prawidłowy dobór instalacji solarnej, przede

wszystkim odpowiedniej do potrzeb ciepła

powierzchni absorberów oraz dostosowanej

do niej pojemności podgrzewaczy wody.

4

Kiedy można mówić o przegrzewie

w instalacji solarnej?

Przegrzew w instalacji solarnej następuje, gdy temperatura w kolektorach

słonecznych przekracza punkt wyłączenia pompy obiegu solarnego ze względu

na konieczność ochrony elementów instalacji – w szczególności pompy, naczynia

wzbiorczego, armatury. Wyłączenie pompy obiegowej następuje zależnie od

nastawy regulatora elektronicznego przy temperaturze od 110 do 150oC

(nastawa fabryczna regulatora auroMATIC 620 wynosi 130oC)

130oC

OFF

Brak odbioru ciepła z kolektorów

słonecznych może prowadzić do

dalszego wzrostu temperatury, do

wrzenia glikolu i tzw. stanu stagnacji.

5

Stan stagnacji w instalacji solarnej

W stanie stagnacji temperatura oraz ciśnienie glikolu w kolektorach słonecznych

wzrasta i przy około 140÷150oC (dla ciśnienia w kolektorach od 3 do 4 bar)

z roztworu glikolu z wodą, zacznie wytwarzać się para wodna. W ostatniej fazie

stanu stagnacji para (przegrzana) wypełni absorber wypierając z niego glikol.

>140oC <140oC

Taka sytuacja nie stanowi dla kolektora słonecznego zagrożenia, gdyż w ramach

badań jakościowych (EN 12975, certyfikat Solar Keymark) kolektor jest testowany

na długotrwałą pracę bez odbioru ciepła.

6

Konstrukcja absorbera umożliwiająca

szybkie usuwanie glikolu

Podstawową kwestią ochrony przed przegrzewaniem jest konstrukcja absorbera

umożliwiająca swobodne i szybkie usuwanie glikolu w razie wystąpienia stanu

stagnacji. Glikol nie będzie wówczas narażony na szkodliwe długotrwałe działanie

podwyższonej temperatury.

auroTHERM VFK 145

Glikol będzie mógł szybko opuścić absorber

posiadający 4 króćce przyłączeniowe. Para wodna

gromadząca się w górnej części absorbera będzie

mogła wyprzeć glikol przez dolne króćce. Naczynie

wzbiorcze przejmie wzrost objętości glikolu.

Opróżnianiu z glikolu służy także nachylenie

orurowania absorbera, co również pozwala stosować

kolektor w układach bezciśnieniowych typu

Drainback.

7

Ochrona przed przegrzewaniem – przykrycie

kolektorów słonecznych

Stosowanie stałych rolet dla zasłaniania kolektorów słonecznych, nie jest

zalecane. Instalacja solarna powinna być tak dobrana, aby zapewnić jej jak

najwyższy stopień wykorzystania. Każda przerwa w pracy przy sprzyjających

warunkach nasłonecznienia zmniejsza opłacalność inwestycji.

Folie ochronne mogą być stosowane na potrzeby montażu i uruchamiania

instalacji solarnej. Po zakończeniu napełnienia układu, folia ochronna (jeśli jest

dostarczona przez producenta)

powinna zostać zdjęta, aby nie

dopuścić do jej zwulkanizowania

pod wpływem promieniowania

słonecznego. W przeciwnym

razie, można się narazić na

trudności w usuwaniu folii

z szyby kolektora.

8

Warunki pracy kolektora słonecznego

na wykresie jego sprawności

Na podstawie parametrów kolektora słonecznego zawartych w certyfikacie Solar

Keymark: sprawności optycznej i współczynników strat ciepła, można wykonać

charakterystykę sprawności. Sprawność zależy ściśle od różnicy temperatury

między absorberem, a otoczeniem. Im wyższa różnica, tym większe będą

występować straty ciepła do otoczenia i tym mniejszą moc grzewczą osiągać

będzie kolektor słoneczny. Optymalne warunki pracy kolektora słonecznego

Różnica temperatury (absorber-otoczenie)

Sp

raw

no

ść k

ole

kto

ra s

łon

eczn

eg

o mieszczą się w zakresie niskich

różnic temperatury w przedziale

do 50÷60 K. Powyżej 80 K

zaczyna się przedział

podwyższonych temperatur

i możliwych przegrzewów.

Optymalny

zakres

Przegrzewy

9

Wykres sprawności kolektora słonecznego

płaskiego z szybą antyrefleksyjną VFK 155

Standardowy zakres pracy Podwyższone temperatury Przegrzewy

Różnica temperatury (absorber-otoczenie)

Sp

raw

no

ść k

ole

kto

ra s

łon

eczn

eg

o

10

Stan pracy 1: początek dnia – niska

temperatura wody użytkowej w podgrzewaczu

20oC

40oC 20oC 20 K

W godzinach porannych woda użytkowa w podgrzewaczu ma niską temperaturę

np. 20oC. Temperatura średnia absorberów zazwyczaj jest wyższa od temperatury

wody o około 10 do 20 stopni i może wynosić wówczas np. 40oC. Oznacza to

różnicę pomiędzy średnią temperaturą absorberów, a otoczeniem = 20 K (różnicę

temperatury wyraża się w stopniach Kelvina), przy założeniu temperatury

zewnętrznej 20oC. Sprawność kolektora słonecznego będzie wynosić ok. 63%

11

60oC

80oC 30oC 50 K

Pod koniec dnia, gdy woda użytkowa w podgrzewaczu osiągnie docelową

temperaturę np. 60oC, średnia temperatura absorberów powinna wynosić około

80oC. Oznacza to różnicę pomiędzy średnią temperaturą absorberów,

a otoczeniem = 50 K, przy założeniu temperatury zewnętrznej 30oC. Sprawność

kolektora słonecznego będzie wynosić ok. 60%. Można uznać, że standardowa

instalacja solarna powinna pracować z maksymalną różnicą rzędu 50÷60 K.

Stan pracy 2: koniec dnia – osiągnięcie

docelowej temperatury wody użytkowej

12

80oC

110oC 30oC 80 K

Jeżeli woda w podgrzewaczu będzie mogła być zgodnie z życzeniem

użytkownika podgrzewana do wyższej temperatury, np. 80oC, to instalacja solarna

może pracować z różnicą temperatury rzędu 80 K. Ten zakres zaczyna już

oznaczać, że w instalacji solarnej mogą występować przegrzewy wskutek braku

odbioru ciepła z kolektorów słonecznych. Sprawność kolektorów słonecznych

zaczyna się także znacząco obniżać, do około 33% dla różnicy 80 K.

Stan pracy 3: koniec dnia – nadwyżki ciepła

wskutek braku odbioru ciepła przez wodę

13

System Drainback – auroSTEP plus

Rozwiązaniem stosowanym w małych instalacjach solarnych jest także układ

bezciśnieniowy, tzw. Drainback. Korzyścią jest w tym przypadku całkowita

eliminacja możliwości przegrzewu glikolu i elementów instalacji solarnej, a także

brak naczynia wzbiorczego. Glikol wypełnia jedynie dolną część instalacji wraz

z wężownicą podgrzewacza. Jedynie gdy wystąpią warunki dla pracy instalacji

solarnej, a pompa obiegowa zostanie włączona przez regulator, glikol będzie

ON OFF

Brak glikolu Wypełnienie

glikolem

wypełniał instalację wraz

z kolektorami. Gdy pompa

obiegowa się wyłączy, glikol

grawitacyjnie przepłynie

w dół instalacji solarnej.

Przy wyższej temperaturze

w kolektorach, glikol nie

będzie narażany przez ani

moment na przegrzew.

14

Podsumowanie

Ochrona instalacji solarnej przed przegrzewaniem jest realizowana przez

regulator (ograniczanie pracy pompy obiegowej), ale przede wszystkim dzięki

odpowiedniej konstrukcji absorbera. Odrębne rozwiązanie stanowi system

bezciśnieniowy Drainback, w którym następuje samoczynne napełnianie

i opróżnianie glikolu z absorberów. Należy zaznaczyć, że odporność samego

kolektora, jak i glikolu na podwyższone temperatury pracy jest bardzo wysoka.

Kolektor spełniający wymagania certyfikatu Solar Keymark jest testowany

w warunkach znacznie bardziej skrajnych niż występujących w praktyce.

Utrata właściwości glikolu następuje

dopiero po notorycznie powtarzających

się i długotrwałych przegrzewach.

Występowanie takich warunków pracy

może być jednak skutecznie

ograniczane przez odpowiednią

konstrukcję absorberów (usuwanie

glikolu)

Chłodzenie

Ogrzewanie

Energia odnawialna

Kotły gazowe

Kotły olejowe

Pompy ciepła

Kolektory słoneczne

Systemy wentylacji

www.eko-blog.pl www.vaillant.pl