Instalacja solarna - układ hydrauliczny: cisnienie, uszczelnienia, polaczenia

1. Wprowadzenie.

Instalacje solarne podobnie jak klasyczne instalacje zasilane kotłem grzewczym są napełniane do odpowiedniego ciśnienia, zapewniającego ich poprawną pracę oraz prawidłowy obieg czynnika grzewczego. Należy zaznaczyć, że zdecydowana większość instalacji solarnych wykonywana jest w tzw. „układzie zamkniętym”, czyli takim, w którym czynnik grzewczy odizolowany jest od powietrza atmosferycznego. Oznacza to, że wymagane jest zastosowanie przeponowego naczynie wzbiorczego (w układach otwartych jest to naczynie przepływowe), które ma za zadanie przejąć nadmiar objętości czynnika grzewczego spowodowany wzrostem temperatury, zapobiegając tym samym nadmiernemu wzrostowi cieśnienia w instalacji. Istotne w tym przypadku jest również prawidłowe uszczelnienie instalacji w celu zapobiegnięcia wycieków. W instalacjach solarnych wykorzystywany jest inny czynnik roboczy (niezamarzające roztwory glikolu) niż w przypadku klasycznych instalacji grzewczych/sanitarnych (woda) oraz istnieje ryzyko występowania wyższych temperatur, co warunkuje dobór odpowiednich uszczelnień hydraulicznych i armatury oraz sposobu jej łączenia.

2. Ciśnienie robocze instalacji solarnej.

Ustalenie ciśnienia w instalacji solarnej uzależnione jest od dwóch czynników:

• a) wysokości położenia kolektorów słonecznym względem grupy pompowej i naczynia przeponowego.
• b) ciśnienia wstępnego poduszki powietrznej w naczyniu przeponowym

Ciśnienie w instalacji mierzone jest przy grupie pompowej za pomocą manometru gdzie znajduje się również naczynie przeponowe. Określenie położenia kolektorów słonecznych względem naczynia przeponowego służy do wyznaczenia ciśnienia według zasady 0,1 bar na każdy metr różnicy wysokości. Po uwzględnieniu ciśnienia wstępnego naczynia przeponowego możliwe jest wyznaczenie ciśnienia w instalacji solarnej wg zależności 1:

Przykład 1:

Dom jednorodzinny Ciśnienie wstępne naczynia przeponowego - p_i =1,5 bar Różnica wysokości pomiędzy kolektorami a naczyniem przeponowym- H =5 m

p_st=1,5+0,1 ∙5 p_st=2 bar

Odpowiedź: Ciśnienie w instalacji wyniesie 2 bar

Odpowiednie ciśnienie umożliwi poprawną prace instalacji solarnej, prawidłowo dobrane naczynie przeponowe uchroni ją przed nadmiernym wzrostem ciśnienia spowodowanym rozszerzalnością cieplną czynnika grzewczego.

Niezwykle istotnym elementem instalacji solarnej obok naczynia przeponowego jest zawór bezpieczeństwa. Umożliwia on wyrzucenie nadmiaru płynu (czynnika grzewczego) z instalacji po przekroczeniu nastawionej wcześniej wartości ciśnienia (ciśnienie otwarcia zaworu bezpieczeństwa). Standardowo nastawa otwarcia wynosi 6 bar dlatego też przy obliczeniach ciśnienia należy zwrócić szczególną uwagę, aby maksymalne ciśnienie robocze instalacji było niższe od ciśnienia otwarcia zaworu bezpieczeństwa i uwzględniało „zapas” wynikający z rozszerzalności cieplnej czynnika roboczego.

3. Uszczelnienia hydrauliczne

Instalacja solarna jak każda inna ciśnieniowa instalacja hydrauliczna wymaga uszczelnienia w celu zapobiegnięcia wycieków czynnika roboczego z orurowania. Jednakże w klasycznych instalacjach hydraulicznych jako czynnik roboczy stosuje się wodę, podczas gdy w instalacjach solarnych czynnikiem grzewczym jest niezamarzający roztwór glikolu. Zastosowanie tych samych uszczelnień hydraulicznych w instalacji solarnej co w np. sanitarnej przyczyni się do występowania wycieków już po stosunkowo krótkim czasie eksploatacji. Dzieje się tak dlatego, że popularne włókna konopi, będące najlepszą metodą uszczelniania gwintu orurowania wypełnionego wodą, nie są w stanie zatrzymać oleistego i lepkiego roztworu glikolu, pozwalając tym samym na jego przeciekanie na zewnątrz instalacji. Dodatkowo możliwość wystąpienia wysokich temperatur czynnika grzewczego powoduje, że w przypadku uszczelnień gwintu w instalacji solarnej stosuje się specjalne nici uszczelniające z przeznaczeniem na wysokie temperatury oraz taśmy teflonowe.

W przypadku uszczelnień śrubunkowych „do czoła” należy stosować uszczelki klingerytowe charakteryzujące się dużą odpornością na starzenie przy zachowaniu szczelności w wysokich temperaturach. Nie należy używać uszczelnień z gumy ze względu na małą odporność na wysokie temperatury.

4. Połączenie instalacji (armatura, lutowanie)

Istotny wpływ na szczelność instalacji solarnej mają połączenia hydrauliczne, do których wykorzystywane są różnego rodzaju kształtki (nyple, mufy, trójniki, kolanka, itd.), które stanowią newralgiczne punkty orurowania, gdyż są najbardziej narażone na wycieki. Dlatego też, jeszcze na etapie projektowania instalacji należy pamiętać aby ograniczyć do minimum ilość połączeń hydraulicznych. Jednakże w przypadku gdy zaistnieje potrzeba zastosowania kształtek i złączek w instalacji, należy zwrócić szczególną uwagę aby stosowana armatura miała gwint stożkowy z odpowiednio dużą ilością zwojów. Wymagania te spełniają dostępne na rynku instalacyjnym ocynkowane kształtki żeliwne, charakteryzujące się wystarczającą ilością zwojów gwintu oraz odpowiednim kątem stożka. Możliwe jest zastosowanie kształtek mosiężnych lub z brązu o parametrach gwintu jak w kształtach żeliwnych, jednakże ich wyższa cena może wpłynąć na wzrost kosztów inwestycyjnych instalacji. Pozornie koszty instalacji można obniżyć stosując powszechnie obecne w obrocie handlowym kształtki mosiężne importowane z dalekiego wschodu. Jednakże posiadają one niewystarczającą ilość zwojów gwintu oraz zbyt cienką ściankę, która może nie wytrzymać naprężeń już podczas nakręcania na inną złączkę w efekcie czego następują jej pęknięcia. Spowodowana tym, zmniejszona trwałość instalacji wpływa w znaczącym stopniu na koszty eksploatacyjne, związane z serwisowaniem oraz naprawą przeciekającego orurowania. Rozwiązaniem pośrednim obniżającym koszty instalacji jest zastosowanie kształtek żeliwnych „czarnych”, które przy odpowiednim uszczelnieniu nicią uszczelniającą lub taśmą teflonową zapewnią trwałość i szczelność instalacji przez długie lata. Istotną wadą takiego rozwiązania mogą okazać się walory estetyczne orurowania, dlatego też należy pamiętać aby poinformować o tym inwestora.

W przypadku stosowania orurowania miedzianego w instalacji solarnej oprócz połączeń śrubunkowych, występują również połączenia lutowane. W klasycznych instalacjach c.o. i c.w.u. często stosuje się tzw. „lut miękki”, który charakteryzuje temperatura topnienia mieszcząca się w zakresie 185- 250⁰C. Jest to jak najbardziej uzasadnione, gdyż temperatury wody kotłowej lub ciepłej wody użytkowej nie przekraczają 100⁰C. Jednakże w instalacjach solarnych, w skrajnych przypadkach przy braku odbioru ciepła z kolektorów słonecznych, istnieje możliwość ich stagnacji przy temperaturach w zakresie 200-300⁰C. Dlatego też, zastosowanie lutu miękkiego, może zakończyć się jego mięknięciem, ewentualnie roztopieniem i przerwaniem ciągłości orurowania, doprowadzając tym samym do poważnej awarii i wycieku czynnika grzewczego z układu. W celu rozwiązania tego problemu należy zastosować tzw. „lut twardy” charakteryzujący się temperaturą topnienia powyżej 450⁰C. W przypadku łączenia rur miedzianych z kształtkami z mosiądzu lub brązu należy również pamiętać o zastosowaniu topnika.

Inną technologią coraz częściej wykorzystywaną w instalacjach solarnych jest metoda łączenia rur miedzianych przez zaprasowywanie złączek z miedzianym lub mosiężnym pierścieniem zaciskowym. Metoda ta jest mniej pracochłonna w porównaniu z lutowaniem kapilarnym oraz nie wymaga tak wyspecjalizowanych kwalifikacji od wykonawcy. Istotną wadą instalacji wykonanej metodą zaprasowywania są jej większe koszty, spowodowane wysokimi cenami złączek zaciskowych oraz zaciskarki.

5. Podsumowanie.

Napełnienie instalacji solarnej do odpowiedniego ciśnienia jest jedną z podstawowych czynności wykonywanej przed jej uruchomieniem. Prawidłowe ustalenie ciśnienia roboczego w instalacji pozwoli na efektywną pracę pompy obiegowej i optymalny uzysk energetyczny z kolektorów słonecznych. Należy przy tym pamiętać, aby odpowiednio uszczelnić instalację, uwzględniając specyfikę jej pracy (możliwość osiągania wysokich temperatur) oraz zastosowany czynnik grzewczy (roztwór glikolu różniący się właściwościami od wody). Dodatkowo dobór odpowiedniej armatury oraz techniki łączenia rur umożliwi poprawną i bezawaryjną pracę instalacji przez lata.