Dobór zasobnika solarnego

1. Wprowadzenie

Jednymi z najistotniejszych elementów instalacji solarnej są odbiorniki ciepła, które w typowych rozwiązaniach stanowią zasobniki c.w.u. Zasobniki te, wyposażone są w wymienniki ciepła, które umożliwiają przygotowanie ciepłej wody użytkowej z wykorzystaniem zarówno kolektorów słonecznych jak i konwencjonalnych urządzeń grzewczych (kotły gazowe, olejowe, na paliwa stałe). Producenci zasobników c.w.u na podstawie obliczeń inżynieryjnych dobierają odpowiednią powierzchnię wymiany ciepła mającą zapewnić przygotowanie wymaganej objętości ciepłej wody użytkowej przy założonych wcześniej parametrach pracy instalacji. Jednakże przy doborze odpowiedniego rozwiązania, należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, iż producenci zasobników nie są w stanie przewidzieć rzeczywistych parametrów pracy instalacji, w szczególności jeżeli jest ona zasilana tak niestabilnym źródłem jak energia promieniowania słonecznego, co w przypadku nietypowych instalacji (w których ciepło wykorzystywane jest również na inne cele niż c.w.u.) może być przyczyną jej nieprawidłowej pracy.

2. Typy zasobników na ciepłą wodę.

W zależności od producenta zasobniki c.w.u. różnią się w swojej budowie materiałami konstrukcyjnymi, grubością izolacji, pojemnością, mocą cieplną wymienników itd. Jednakże główny podział zasobników opiera się na sposobie ich ładowania czyli zaopatrzenia w ciepło w celu przygotowania ciepłej wody użytkowej. Rozróżnia się tu dwa systemy ładowania: pojemnościowy i warstwowy.

W przypadku zasobników pojemnościowych proces ich ładowania odbywa się za pośrednictwem zintegrowanego wymiennika ciepła zazwyczaj w formie wężownic wykonanych ze stali emaliowanej lub miedzi. Wężownica umieszczona jest w dolnej części zasobnika, przy punkcie doprowadzania wody zimnej, co umożliwia wykorzystanie zjawiska konwekcji swobodnej podczas jej podgrzewania. W wyniku różnicy gęstości, podgrzewana woda przemieszcza się ku górnej części zasobnika, gdzie znajduje się króciec poboru wody ciepłej. W efekcie tego następuje rozpływ wody w całej jej objętości, dlatego też taki typ zasobnika/podgrzewacza nazywany jest pojemnościowym.

Budowa zasobników ładowanych warstwowo różni się od zasobników pojemnościowych umiejscowieniem wymiennika ciepła. Zasobniki ładowane warstwowo posiadają zewnętrzny wymiennik ciepła, w którym pobierana w dolnej części zasobnika zimna woda zostaje podgrzana czynnikiem roboczym z instalacji grzewczej. Następnie podgrzana woda, za pomocą pompy C.W.U. zostaje przepompowana do górnej części zasobnika, ładując go warstwowo od góry do dołu (odwrotnie niż w przypadku zasobników/podgrzewaczy pojemnościowych).

Niewątpliwą zaletą zasobników ładowanych warstwowo jest szybkość podgrzewania wody za pomocą zewnętrznych wymienników ciepła oraz większą dostępność ciepłej wody niż w przypadku zasobników pojemnościowych. Dodatkowo system ładowania warstwowego daje elastyczność przy doborze mocy cieplnych wymienników ciepła i pojemności zasobników. Jednakże instalacje wykorzystujące zasobniki ładowane warstwowo wymagają stabilnej, dużej mocy cieplnej urządzeń je zasilających. Ogranicza to dobór źródła ciepła głównie do kotłów grzewczych i przyłącza sieci ciepłowniczej, uniemożliwiając tym samym zastosowanie kolektorów słonecznych charakteryzujących się stosunkowo niewielką mocą cieplną, która dodatkowo ulega ciągłym wahaniom spowodowanym zmiennymi warunkami pogodowymi (natężenie promieniowania słonecznego, temperatura otoczenia). Dlatego też, w przypadku instalacji solarnych zastosowanie znajdują zasobniki pojemnościowe, które charakteryzuje możliwość przygotowania dużych ilości ciepłej wody pozwalających na szczytowe pokrycie zapotrzebowania na nie przy stosunkowo małej mocy grzewczej źródła.

Często spotykanym rozwiązaniem, szczególnie w przypadku instalacji solarnych, jest biwalentny tryb pracy zasobnika pojemnościowego, w którym zastosowane są dwie wężownice (rysunek 1). Dolna wężownica zasilana jest wtedy kolektorami słonecznymi, górna z kolei innym źródłem (np. kotłem grzewczym, pompą ciepła itd.). Innym rozwiązaniem stosowanym w przypadku instalacji zasilanej kolektorami słonecznymi są systemy kombinowane, w których woda podgrzewana jest systemem pojemnościowym i warstwowym umożliwiając tym samym wykorzystanie zalet obydwu metod.

W przypadku większych instalacji solarnych możliwe jest równoległe i szeregowe łączenie różnych typów zasobników, szczególnie w przypadkach gdzie objętość zużywanej ciepłej wody przekracza pojemność największego dostępnego zasobnika oraz gdy kubatura pomieszczenia wymaga zastosowania kilku mniejszych zasobników.

3. Parametry zasobników.

Zasobniki C.W.U. charakteryzują podstawowe parametry takie jak:

• - pojemność (standardowo w zakresie 150-1000 dm³)
• - maksymalna temperatura (zazwyczaj 95⁰C)
• - maksymalne ciśnienie robocze (zazwyczaj 10 bar)
• - wymiary geometryczne (zależnie od pojemności zasobnika)

Parametry te powinny odnosić się również do wężownic w zasobniku wraz z informacją o ich ilości. W przypadku zasobników monowalentnych będzie to jedna wężownica, w przypadku biwalentnych – dwie. Istotnym parametrem wężownicy jest jej moc cieplna, uzależniona głównie od jej powierzchni wymiany ciepła. Zgodnie z zależnością 1, im większa powierzchnia wymiany ciepła wężownicy, tym większa jej moc cieplna dla określonych warunków pracy instalacji.

Jednakże jak wynika z zależności 1, moc cieplna wężownicy uzależniona jest również od współczynnika przenikania ciepła oraz średniej logarytmicznej różnicy temperatur. Współczynnik przenikania ciepła warunkują dane konstrukcyjne i geometryczne wężownicy (materiał i grubość ścianki) oraz współczynniki przejmowania ciepła po stronie czynnika grzewczego i wody. Istotny wpływ na wartość współczynnika przejmowania ciepła po stronie czynnika grzewczego ma natężenie przepływu i jego prędkość, dlatego też producenci zasobników podają jego wartość, dla której moc cieplna została wyznaczona. Średnia logarytmiczna różnica temperatur stanowi główną siłę napędową wymiany ciepła, którą warunkują: temperatura czynnika grzewczego i temperatura wody zimnej i ciepłej. Dane te podają producenci zasobników i tylko dla tych warunków moc cieplna wężownicy będzie obowiązywała.

Przykład 1

Moc cieplna wężownicy dla 10/45/75⁰C wynosi 32 kW.

Wartość 32 kW podawana dla 10/45/75⁰C oznacza, że temperatura wody zimnej doprowadzanej do zasobnika wynosi 10⁰C, woda ta zostaje ogrzana do temperatury 45⁰C czynnikiem grzewczym o temperaturze zasilania 75⁰C. W tym miejscu należy zwrócić uwagę na fakt, iż przy jakiejkolwiek zmianie wartości tych temperatur, moc cieplna wężownicy również ulegnie zmianie.

Kolejnym istotnym parametrem podawanym przez producentów zasobników jest tzw. wydajność trwała. Jest to ilość (objętość) wody jaka zostanie podgrzana do wymaganej temperatury w jednostce czasu. Z reguły wydajność trwała jest to ilość dm³ jaką jest w stanie podgrzać wężownica w ciągu godziny, dlatego też podawana jest w dm³/h. Jest ona ściśle powiązana z mocą cieplną wężownic oraz temperaturą podgrzewanej wody. Wydajność trwałą dla zasobnika można obliczyć w przybliżeniu za pomocą zależności 2:

Przykład 2

Moc cieplna wężownicy dla 10/45/90⁰C wynosi 40,2 kW

Na podstawie danych producenta można określić parametry pracy zasobnika:

• - temperatura zimnej wody doprowadzanej do zasobnika t_zw=10⁰C
• - temperatura ciepłej wody t_cw=45⁰C
• - moc cieplna wężownicy Q=40,2 kW

Następnie należy podstawić dane do wzoru 2:

Odpowiedź: Wydajność trwała zasobnika wyniosła 990 dm³/h.

Należy zwrócić uwagę, że wydajność trwała w tym przypadku odnosi się do temperatury czynnika grzewczego C.W.U. zasilającego wężownicę wynoszącej 90⁰C. Jednakże, w przypadku zasilania instalacji . kolektorami słonecznymi, utrzymanie stałej temperatury zasilania jest niemożliwe. Zmienne warunki pogodowe (w tym zachmurzenie, które wpływa na wartość natężenia promieniowania słonecznego) wpływają na sprawność oraz zmianę mocy cieplnej kolektora słonecznego. Przy stałym natężeniu przepływu dochodzi do zmian temperatury czynnika grzewczego na wyjściu z kolektora i tym samym na zasilaniu wężownicy w zasobniku C.W.U.. Moc cieplna wężownicy podawana jest dla warunków ustalonych (10/45/90⁰C) tak więc wszelkie zmiany na zasilaniu wężownicy powodować będą zmianę ilości ciepła przekazywanego wodzie. Należy jednak zaznaczyć, że przy odpowiednio dobranej powierzchni czynnej kolektorów słonecznych (a co za tym idzie mocy cieplnej) oraz pojemności i mocy cieplnej wężownicy w zasobniku, w/w czynniki nie wpływają w znaczący sposób na zapewnienie pełnego pokrycia zapotrzebowania na ciepło do przygotowania C.W.U. przez instalację solarną w okresie letnim.

4. Dobór mocy cieplnej wężownicy.

Moc cieplna kolektorów słonecznych, która jest mniejsza od mocy kotłów grzewczych, znacząco wydłuża cykl ładowania zasobnika, który trwa zazwyczaj cały dzień. Taki tryb pracy zasobnika C.W.U. jest wymagany, ze względu na fakt, iż nie ma możliwości regulacji mocy cieplnej kolektorów słonecznych (ani ich wyłączenia) jak to ma miejsce w przypadku kotłów grzewczych. W tym miejscu należy zaznaczyć, że typowa instalacja solarna jest w stanie pokryć ok. 60% zapotrzebowania na ciepło do przygotowania C.W.U. w ciągu roku, dlatego też istnieje potrzeba stosowania dodatkowego źródła ciepła (np. kocioł grzewczy, pompa ciepła, grzałka elektryczna, etc.) Producenci zasobników C.W.U. przeznaczonych do współpracy z instalacją solarną mając na uwadze, że kolektory słoneczne przeznaczone są do wspomagania przygotowania C.W.U. umieszczają w zasobnikach dwie wężownice (zasobniki biwalentne). Górna wężownica przeznaczona jest dla stabilnego urządzenia takiego jak kocioł grzewczy, charakteryzującego się dużą, stałą mocą cieplna. Instalację solarną należy zawsze podłączać do dolnej wężownicy, co spowodowane jest niższymi, niestabilnymi wartościami mocy cieplnej kolektorów słonecznych. Doprowadzana do zasobnika zimna woda zostanie wtedy wstępnie ogrzana przez kolektory słoneczne, przez co w wyniku konwekcji swobodnej (różnicy gęstości) uniesie się ku górnej części poboru ciepłej wody w zasobniku. W przypadku gdy moc cieplna kolektorów nie pozwoliła na osiągnięcie wymaganej temperatury C.W.U. (zbyt małe nasłonecznienie) woda zostaje dogrzana przez dodatkowe źródło ciepła. Problem mniejszej mocy kolektorów słonecznych wpływającej na mniejsze (niż w przypadku kotłów grzewczych) wartości temperatury czynnika grzewczego został rozwiązany poprzez zastosowanie większej powierzchni dolnej wężownicy. Jak w wynika z zależności 1 mniejsza średnia różnica temperatur pomiędzy czynnikiem grzewczym w instalacji solarnej a ogrzewaną wodą, może zostać częściowo zniwelowana za pomocą zwiększenia powierzchni wężownicy. Dlatego też, dostępne na rynku instalacyjnym biwalentne zasobniki C.W.U. charakteryzują się większą powierzchnią wymiany ciepła dolnej wężownicy niż górnej przeznaczonej do współpracy z kotłem grzewczym lub pompą ciepła. Pozwala to przygotowanie ciepłej wody już przy niskich parametrach pracy instalacji (niższe temperatury czynnika grzewczego w obiegu solarnym) oraz umożliwia jej ewentualne dogrzanie przy wysokich parametrach (zasilanie wodą kotłową).

5. Przewymiarowanie instalacji solarnej.

Zasobniki C.W.U. w zależności od ich pojemności wyposażone są w dolną wężownicę przeznaczoną do współpracy z wcześniej określoną maksymalną powierzchnią czynną kolektorów słonecznych warunkującą ich moc cieplną. W przypadku typowych instalacji do przygotowania C.W.U. dobór odpowiedniej ilości kolektorów słonecznych zazwyczaj nie stanowi problemu. Jednakże dość częstym przypadkiem są „niestandardowe” instalacje solarne, w których ciepło wykorzystywane jest również do innych celów niż przygotowanie C.W.U. Wówczas ma miejsce przewymiarowanie instalacji tj. zastosowanie większej niż wymaganej powierzchni czynnej kolektorów słonecznych. Podłączenie instalacji do dolnej wężownicy, wiąże się ze zmianą parametrów pracy dla których została zaprojektowana. Większa powierzchnia kolektorów słonecznych wiąże się z większym przepływem oraz wyższymi temperaturami czynnika grzewczego. W przypadku dużego nasłonecznienia przy maksymalnej wydajności pompy może dojść do sytuacji, w której wężownica nie zapewni odpowiedniej wymiany ciepła. W efekcie tego, ciepło w zasobniku nie będzie odbierane w wystarczającej ilości, co doprowadzi do ciągłego wzrostu temperatury czynnika grzewczego, przy niewielkim wzroście temperatury ogrzewanej wody. Zaobserwować można wtedy nietypowo wysoką różnice temperatur pomiędzy czynnikiem grzewczym w kolektorze słonecznym a wodą w zasobniku. Takie wskazania czujników temperatury spowodują, że regulator solarny będzie utrzymywał pracę pompy obiegowej, doprowadzając do ciągłego wzrostu temperatury czynnika grzewczego w kolektorze słonecznym, aż do jego stagnacji i nieuchronnej awarii układu. W tym przypadku przegrzanie się instalacji solarnej (w wyniku stagnacji kolektorów) jest nietypową awarią, ponieważ może zaistnieć przy niedogrzanej wodzie w zasobniku C.W.U.

W celu zapewnienia odpowiedniej wymiany ciepła na wężownicy zasobnika w przypadku przewymiarowanej instalacji solarnej, w której ciepło ma być wykorzystywane również na inne cele niż C.W.U., należy podłączyć obieg czynnika grzewczego do dodatkowych wymienników ciepła. Można to uzyskać poprzez podłączenie instalacji solarnej do więcej niż jednej wężownicy w tym samym zasobniku, bądź zastosowanie dodatkowego zasobnika z wężownicą. Przy dużej powierzchni czynnej kolektorów słonecznych w odniesieniu do pojemności zasobników, możliwe jest zastosowanie dodatkowo zewnętrznego wymiennika ciepła (np. płytowego woda/glikol), umożliwiającego warstwowe ładowanie zasobnika. W ten sposób zapewniony zostanie odbiór ciepła przy wyższych, niż przewidziane przez producentów zasobników C.W.U., parametrach pracy instalacji solarnej.

6. Podsumowanie.

W celu prawidłowego zaprojektowania instalacji solarnej, należy zwrócić szczególną uwagę na planowane przez inwestora zużycie ciepła, przekładające się na moc cieplną kolektorów słonecznych oraz pojemność i ilość zasobników na wodę. Wszelkie zmiany w parametrach zasilania zasobników C.W.U. przekładają się ilość wymienianego przez wężownice ciepła. Dlatego też, jeżeli istnieje potrzeba zainstalowania większej niż przewidzianej przez producenta zasobników powierzchni czynnej kolektorów słonecznych, spowodowanej dodatkowym zapotrzebowaniem ciepła na inne cele niż przygotowanie C.W.U. ,należy rozważyć zastosowanie rozwiązań technologicznych umożliwiających optymalną wymianę ciepła nawet przy nietypowych parametrach pracy instalacji. Przykładem takiego rozwiązania może być podłączenie obiegu solarnego do dodatkowych wymienników ciepła o odpowiednio dobranej mocy. Zapewnia to poprawną i efektywną pracę instalacji solarnej oraz pozwoli uchronić ją przed przegrzaniem i awarią związaną ze stagnacją kolektorów słonecznych.