Polaczenia wiekszej ilosci kolektorów słonecznych

1. Wprowadzenie.

Większość obecnie powstających instalacji solarnych w budownictwie jednorodzinnym wykorzystywanych jest do wspomagania przygotowania ciepłej wody użytkowej. Przy typowym rozbiorze ciepłej wody dla 2-5 osób nie jest wymagana duża ilość kolektorów słonecznych, dlatego też dobór odpowiedniej metody ich połączenia w przypadku wykonawców dysponujących odpowiednią wiedzą i doświadczeniem nie stanowi problemu. Jednakże, w wielu przypadkach ciepło produkowane przez kolektory słoneczne jest wykorzystywane również do innych celów niż przygotowanie c.w.u. jak np. wspomaganie centralnego ogrzewania czy podgrzewanie wody w basenie. Podobnie jak w budownictwie wielorodzinnym, czy sektorze publicznym np. (szpitale, szkoły, baseny itd.) zapotrzebowanie na ciepło znacząco wzrasta, co powiązane jest z znacznie większą ilością kolektorów słonecznych. Zaistniała potrzeba montażu większej ilości kolektorów słonecznych wymaga od wykonawcy doboru odpowiedniej metody ich połączenia, tak aby stworzyły one zrównoważony układ hydrauliczny umożliwiający bezawaryjną i efektywną pracę całej instalacji.

2. Typy połączenia urządzeń w instalacjach hydraulicznych.

Większość powszechnie stosowanych i sprawdzonych technologii została zainspirowana naturą. Nie inaczej jest z układem hydraulicznym, który swoje odzwierciedlenie znajduje w organizmie człowieka. Układ krwionośny stanowi swego rodzaju układ hydrauliczny, a serce pompę obiegową. Aby stosunkowo niewielkie serce było w stanie przepompować krew do wszystkich komórek, natura wykształciła układ krwionośny w systemie równoległym. W porównaniu z układem szeregowym, w którym serce musiałoby przepompować krew od pierwszej do ostatniej komórki po przepłynięciu przez każdą inną, w układzie równoległym utworzone zostały główne naczynia krwionośne, od których odchodzą rozgałęzienia umożliwiające dopłynięcie krwi do wszystkich komórek, z dużo mniejszym oporem przepływu (gdyż nie sumuje się opór przepływu wszystkich narządów), a co za tym idzie spadkiem ciśnienia. Analogicznie zastosowanie takiego rozwiązania w układach hydraulicznych związane będzie z uzyskaniem podobnego efektu. Dlatego też, rozróżniamy następujące typy połączeń urządzeń w instalacjach hydraulicznych:

• a) Szeregowe – połączenie, w którym strumień czynnika roboczego wpływa do pierwszego urządzenia, następnie wypływa do następnego, przepływając kolejno przez wszystkie urządzenia w instalacji,
• b) Równoległe – jest to połączenie, w którym strumień czynnika roboczego przepływa przez główny przewód zbiorczy, następnie za pośrednictwem mniejszych przewodów (rozgałęzień) wpływa do każdego urządzenia oddzielnie w tym samym czasie (równolegle),
• c) Szeregowo-równoległe – połączenie polegające na równoległym łączeniu układów szeregowych.

Dobór odpowiedniego typu połączenia urządzeń warunkuje ich ilość oraz wartości wywoływanego przez nie spadku ciśnienia w obiegu czynnika roboczego.

3. Średnie i duże instalacje solarne.

W przypadku typowej instalacji solarnej wykorzystywanej w budynku jednorodzinnym, służącej do wspomagania przygotowania c.w.u. wymagana ilość kolektorów słonecznych nie powoduje istotnych oporów przepływu, dlatego też praktycznie w każdym przypadku (o ile warunki zabudowy to umożliwiają) stosuje się połączenie szeregowe. Jednakże w przypadku innych zastosowań, gdy wymagana jest znacząco większa ilość kolektorów słonecznych należy rozważyć zastosowanie układu szeregowo-równoległego. W średnich i dużych instalacjach solarnych w zależności od zapotrzebowania na ciepło wymagane pole kolektorów słonecznych dzieli się na połączone szeregowo baterie. Ilość kolektorów słonecznych połączonych w szeregu jest uzależniona od ich typu, co powoduje, że może się nieznacznie różnić w zależności od producenta. W przypadku kolektorów płaskich z absorberami harfowymi jest to zazwyczaj ok. 8 sztuk połączonych przeciwlegle w szeregu. Kolektory z absorberem meandrycznym charakteryzują większe opory przepływu, dlatego też ich ilość w szeregu jest mniejsza i wynosi ok. 5 sztuk. Należy zaznaczyć, że w tym przypadku istnieje możliwość zwiększenia ilości kolektorów połączonych w szeregu poprzez zastosowanie połączenia dwustronnego, umożliwiającego wyrównanie przepływu na absorberach. Ustalenie ilości kolektorów próżniowo-rurowych w połączeniu szeregowym jest utrudnione, ze względu na różne wielkości tych urządzeń. Dlatego też, producenci podają wartość dopuszczalnej powierzchni brutto kolektorów mogącej zostać połączonej równolegle, która zazwyczaj wynosi ok. 15 m2. Dlatego też w zależności od ilości rur w kolektorze ich liczba może być znacząco różna dla poszczególnych modeli. Schematy połączenia szeregowego kolektorów próżniowo-rurowych zostały przedstawione na rysunku 1.

Baterie kolektorów połączonych szeregowo łączy się równolegle, z przewodem zbiorczym o większej średnicy zapewniającej wymagany, nominalny przepływ czynnika grzewczego. Należy zwrócić uwagę aby połączone równolegle baterie składały się z tej samej ilości kolektorów słonecznych, w celu wyrównania oporów przepływów. Umożliwi to zastosowanie połączenia w układzie Tichelmanna, w którym odcinki przewodów, przez które przepływa czynnik grzewczy na zasilaniu i powrocie z poszczególnych baterii kolektorów słonecznych są takie same, co umożliwi hydrauliczne zrównoważenie przepływu czynnika grzewczego w instalacji. Jak przedstawiono na rysunku 2 wymagane jest wtedy wydłużenie odcinka jednego z głównych przewodów zbiorczych, które zaleca się wykonać na zasilaniu, gdyż w tym przypadku będzie ono miało mniejszy wpływ na straty ciepła na przesyle w instalacji.

W tym miejscu należy zaznaczyć, że zastosowanie połączenia równoległego w układzie Tichelmanna ma swoje uzasadnienie jedynie w przypadku, gdy ilość kolektorów słonecznych w każdej baterii jest jednakowa. Jednakże, jeżeli z różnych przyczyn warunki zabudowy na to nie pozwalają, należy zastosować zawory regulacji przepływu z rotametrami, w celu wyrównania przepływu w każdej baterii. Takie rozwiązanie zostało przedstawione na rysunku 3.

W przypadku dużych instalacji solarnych w/w rozwiązania umożliwiają kombinację dwóch metod szeregowo-równoległego łączenia kolektorów słonecznych przedstawioną na rysunku 4.

4. Podsumowanie.

Problematyka średnich i dużych instalacji solarnych wynika z większej ilości kolektorów słonecznych wymagających doboru odpowiedniej metody ich połączenia wpływającej na zrównoważenie hydrauliczne przepływów czynnika grzewczego. Dobór odpowiedniej ilości kolektorów słonecznych połączonych szeregowo w baterie a następnie równolegle w układzie Tichelmanna lub z zaworami regulacyjnymi umożliwia wyrównanie oporów przepływu w całej instalacji. Przekłada się to na uzyskanie nominalnych wartości przepływu przez każdą baterię szeregowo połączonych kolektorów słonecznych, co umożliwi wysoki ich uzysk energetyczny oraz prawidłową pracę instalacji.