Izolacja przewodów solarnych

1. Wprowadzenie.

Przewody solarne tworzą orurowanie w instalacji, której zadaniem jest umożliwienie obiegu czynnika grzewczego pomiędzy kolektorami słonecznymi a odbiornikami ciepła. Z racji tego, że kolektory słoneczne znajdują się na zewnątrz budynku, część przewodów solarnych narażona jest na wpływ niekorzystnych czynników środowiska zewnętrznego. Dlatego też, w celu ograniczenia strat ciepła do otoczenia, niezwykle istotna jest właściwa izolacja przewodów i armatury, zwłaszcza na odcinku prowadzonym na zewnątrz budynku.

2. Typy izolacji termicznych.

W celu izolacji orurowania w typowych instalacjach grzewczych (c.o. i c.w.u.) wykorzystywane są otuliny i kształtki wykonane z panki poliuretanowej oraz rzadziej polietylenowej. Materiały te charakteryzują niskie współczynnik przewodzenia ciepła (wartości λ osiągające 0,035 W/mK), co wpływa korzystnie na ograniczenie strat ciepła z obiegu czynnika grzewczego do otoczenia. Jednakże stosunkowo niskie dopuszczalne temperatury czynnika grzewczego (135⁰C w przypadku pianki poliuretanowej miękkiej oraz 95⁰C w przypadku pianki polietylenowej) ograniczają ich zastosowanie w instalacjach solarnych, w których przy dużym nasłonecznieniu oraz braku odbioru ciepła możliwe jest okresowe przekroczenie temperatury 150⁰C. Zastosowanie w tym przypadku pianki poliuretanowej lub polietylenowej spowoduje ich stopienie i spłynięcie po rurach instalacji solarnej. Dodatkowo mała odporność tych materiałów na działanie promieniowania UV, warunkuje konieczność stosowania płaszcza ochronnego na zewnętrznych odcinkach orurowania. Dlatego też, ze względu na specyfikę instalacji zasilanych kolektorami słonecznymi (odcinki rurociągu prowadzone na zewnątrz budynku oraz okresowo wysokie temperatury czynnika roboczego) w celu właściwego zaizolowania przewodów solarnych stosowane są izolacje kauczukowe. Charakteryzują się one stosunkowo niskimi współczynnikami przewodzenia ciepła (λ≤0,042 W/mK), wysoką dopuszczalną temperaturą czynnika grzewczego (okresowo do 175⁰C) oraz dużą odpornością na działanie promieniowania UV, co w szczególności na odcinkach rur prowadzonych na zewnątrz budynku ma istotne znaczenie.

Izolacja kauczukowa jest koloru czarnego/grafitowego, co odróżnia ją od klasycznych izolacji poliuretanowych koloru szarego. Podobnie jak w przypadku większości materiałów izolacyjnych stosowanych w instalacjach grzewczych i chłodniczych izolacje kauczukowe dostępne są również w postaci rur preizolowanych dodatkowo zabezpieczonych folią ochronną. Zwiększona dzięki temu odporność na działanie czynników zewnętrznych takich jak mróz, wilgoć oraz interakcję z ptakami powoduje, że nie ma konieczności dodatkowego zabezpieczania izolacji poprzez malowanie specjalnymi preparatami ochronnymi, zawijanie taśmami ochronnymi czy zabezpieczanie otulinami metalowymi lub z tworzywa. Na rynku instalacyjnym dostępne są również składające się w 90% z powietrza izolacje oparte na aerożelach. Charakteryzujące się one najniższymi współczynnikami przewodzenia ciepła (λ=0,014-0,016 W/mK) oraz odpornością na działanie wysokich temperatur. Istotną wadą jest wysoka cena aerożeli, która w znaczący sposób zwiększa koszty inwestycyjne instalacji.

3. Grubość izolacji.

Dopuszczalne wartości minimalnych grubości izolacji orurowania instalacji centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej reguluje Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 5 lipca 2013 roku. Jednakże ze względu na specyfikę instalacji solarnych oraz fakt, że w porównaniu z klasycznymi instalacjami c.o. i c.w.u. wykorzystywane są nich inne materiały izolacyjne, wartości grubości izolacji przewodów solarnych różnią się od wartości przedstawionych w w/w Rozporządzeniu. Izolacja kauczukowa jest dostępna na rynku instalacyjnym w postaci otulin o grubości od 10-25 mm, przy czym należy zaznaczyć, że dla rur o średnicach wewnętrznych mieszczących się w przedziale 15-22 mm są to zazwyczaj grubości o wartości 13 i 18 mm. W przypadku każdej instalacji solarnej wskazana jest możliwie mała długość zewnętrznego odcinka przewodów solarnych, dlatego też w przypadku średnic wewnętrznych orurowania nie przekraczających 22 mm, stosowane są izolacje kauczukowe o grubości 13 mm. Jeżeli położenie pola kolektorów słonecznych warunkuje stosunkowo długi odcinek przewodów solarnych prowadzonych na zewnątrz zaleca się, w celu zmniejszenia liniowych strat ciepła, stosowanie grubszych warstw izolacji. Przedstawione poniżej wyniki obliczeń dla dwóch różnych przypadków wykazują potrzebę stosowania izolacji oraz wpływ jej grubości na straty ciepła na przesyle.

Przykład 1:

Wyniki obliczeń wykazują, że bez względu na grubość izolacji kauczukowej (13 i 18 mm) straty ciepła na przesyle w przypadku odcinka wynoszącego 5 m stanowiły będą zaledwie 1% mocy cieplnej kolektora słonecznego. Należy jednak zaznaczyć, że niezaizolowany przewód solarny wykazał ok. 9-krotnie większe straty ciepła, co wskazuje na wyraźną potrzebę stosowania izolacji nawet na krótkich odcinkach zewnętrznych.

Przykład 2:

W przypadku gdy odcinek przewodów prowadzonych na zewnątrz wyniósł 50 m, dzięki zwiększeniu grubości izolacji udało się zmniejszy straty ciepła na przesyle z 20% do 16% mocy cieplnej kolektora słonecznego. Oznacza to, że zwiększenie grubości warstwy izolacyjnej przyniosło efekt w postaci 4% spadku strat ciepła do otoczenia. Nie zastosowanie izolacji w tym przypadku skutkuje w stratach ciepła na przesyle przewyższających moc cieplną kolektora słonecznego. W ekstremalnych przypadkach szczególnie w okresie zimowym, przy temperaturze otoczenia 0⁰C i stosunkowo dużym natężeniu promieniowania słonecznego padającego na płaszczyznę kolektora (G = 600W/m²), straty ciepła na przesyle mogą przekroczyć 60% mocy cieplnej kolektora dla przewodów solarnych o grubości izolacji 13 mm. Zastosowanie większej warstwy izolacji o grubości 18 mm umożliwi obniżenie tych strat o ponad 10%.

Na rynku instalacyjnym dostępne są również wykonane ze stali nierdzewnej lub miedzi rury preizolowane, które mimo iż znacząco ułatwiają prace montażowe, z drugiej strony ograniczają dobór grubości izolacji kauczukowej w przypadku dłuższych odcinków przewodów solarnych prowadzonych na zewnątrz. Bez względu na rodzaj stosowanej izolacji (w formie otuliny/preizolowane rury) należy zwrócić szczególną uwagę na ciągłość izolacji w celu uniknięcia punktowych mostków termicznych, których przyczyną jest zazwyczaj nieprawidłowo zaizolowana armatura instalacji.

4. Podsumowanie.

Orurowanie instalacji solarnej może powodować duże straty ciepła do otoczenia szczególnie przy niskich temperaturach powietrza na zewnętrz, dlatego też istotna jest prawidłowa izolacja przewodów solarnych. Dobór odpowiedniego typu izolacji oraz jej grubości zapewni wysoki uzysk energetyczny instalacji solarnej oraz niskie straty ciepła do otoczenia. Należy również pamiętać o utrzymaniu ciągłości izolacji poprzez drobiazgowe izolowanie elementów łączeń, śrubunków, odpowietrzników/separatorów, króćców kolektorów i wszelkich elementów mogących powodować mostki termiczne.