Wykorzystanie kolektorów słonecznych do wspomagania ogrzewania budynków mieszkalnych

Warunki helioenergetyczne Polski umożliwiają efektywne wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do ogrzewania ciepłej wody, wody basenowej lub wspomagania ogrzewania budynków mieszkalnych. Właściwie zaprojektowana instalacja solarna pozwala zaoszczędzić znaczne ilości paliw, a tym samym odciążyć w znacznym stopniu środowisko naturalne od emisji substancji szkodliwych.

W przeciwieństwie do podgrzewu ciepłej wody, ogrzewanie pomieszczeń z wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego ma nieco inny charakter. Okres, w którym mamy możliwość wykorzystania największej ilości energii słonecznej jest przesunięty w czasie wobec okresu z maksymalnym zapotrzebowaniem na energię grzewczą. Realizacja wspomagania ogrzewania pomieszczeń wymaga więc zastosowania zwiększonej powierzchni kolektorów słonecznych. Wykorzystanie kolektorów słonecznych do ogrzewania budynków mieszkalnych zalecane jest głównie w przypadku instalacji niskotemperaturowych np. z ogrzewaniem podłogowym, grzejnikami konwekcyjnymi. Systemy solarne tego typu najefektywniej działają w okresach przejściowych, jesienno-zimowych oraz wczesną wiosną, szczególnie jeżeli wyposażone są w kolektory z rurami próżniowymi, które zapewniają wysoki zysk energetyczny również przy dużym udziale promieniowania rozproszonego. Energia cieplna uzyskana od Słońca magazynowana jest w postaci ciepłej wody w zbiornikach buforowych (akumulacyjnych) o dużej pojemności i wykorzystywana następnie do zasilania kotłów grzewczych.

Kompletne systemy solarne do wspomagania ogrzewania budynków mieszkalnych oferuje firma Viessmann. Najnowsza generacja kolektorów słonecznych tej firmy to kolektory płaskie typu Vitosol 100, próżniowe kolektory rurowe Vitosol 200 i Vitosol 300.

Wszystkie kolektory serii Vitosol wykonane są wysokiej jakości materiałów, zapewniających niezawodność i kilkudziesięcioletni okres użytkowania. Powierzchnie miedzianych absorberów pokryte są warstwą selektywną Sol-Titan bazującą na związkach tytanu, odporną na starzenie i gwarantującą maksymalny zysk energetyczny. Zastosowany czynnik grzewczy Tyfocor HTL jest odporny na zamarzanie, może być stosowany w zakresie temperatur od -35 do + 260 oC. Podczas montażu kolektorów słonecznych należy zwracać uwagę na odpowiedni kąt pochylenia kolektorów względem płaszczyzny, możliwe są kąty pochylenia 20 - 70o , zalecane 30 - 45o. Równie ważne jest skierowanie kolektorów na południe, dopuszczalne odchylenia od kierunku południowego to 45o.

Kolektory płaskie Vitosol 100 dostępne są w wersji do montażu pionowego (s) i poziomego (w) na połaci dachowej, do integracji z dachem lub jako konstrukcje wolnostojące.

Kolektory rurowe typu Vitosol 200 i 300 odznaczają się wyższą sprawnością rzeczywistą niż kolektory płaskie, przez co średnioroczny uzysk energii jest o ok. 30% wyższy niż przy zastosowaniu kolektorów płaskich. W zależności od ilości rur próżniowych (20 lub 30) posiadają powierzchnie absorbera równe 2 lub 3 m2.

Dla optymalnego działania systemu solarnego oprócz wysokowydajnych kolektorów słonecznych konieczna jest również odpowiednia technika systemowa. Są to zestawy przyłączeniowe, pogrzewacze c.w.u., moduły pompowe, regulatory, naczynia przeponowe, urządzenia zabezpieczające, wymienniki ciepła, pompki do napełniania instalacji etc. Biwalentne podgrzewacze c.w.u. typu Vitocell 100 (emaliowane) oraz 300 (ze stali nierdzewnej) posiadają dwie wbudowane wężownice, dolna zasilana jest od strony kolektorów słonecznych, górna w razie konieczności od strony kotła grzewczego. Dzięki takiej konstrukcji, zasilaniu z dwóch źródeł, komfort ciepłej wody zapewniony jest również przy niepomyślnych warunkach pogodowych.

Do jednoczesnego wspomagania ogrzewania budynków i podgrzewu ciepłej wody stosowany jest podgrzewacz typu Vitocell 333 o pojemności 750 l. Łączy on zalety zbiornika buforowego i podgrzewacza c.w.u.


















Zdjęcie. Schemat kompletnej instalacji do wspomagania ogrzewania pomieszczeń i podgrzewu ciepłej wody użytkowej przy zastosowaniu podgrzewacza pojemnościowego typu Vitocell 333.

Instalacja solarna dla HOTELU (na przykładzie hotelu "Wielki Głęboczek")

Charakterystyka cieplna hoteli
Hotele ze względu na duże zużycie ciepłej wody oraz największe obłożenie w okresie letnim mają największe zapotrzebowanie na ciepło w okresie letnim, kiedy jesteśmy w stanie uzyskać maksymalną ilość energii słonecznej. Jeśli jeszcze w budynku zastosowano ogrzewanie niskoparametrowe i znajduje się tam basen to mamy obiekt o wprost idealnej charakterystyce grzewczej dla wykorzystania wspomagania przez kolektory słoneczne.

Opis technologii
Ze względu na dużą odległość ( 40m ) między kotłownią a baterią kolektorów konieczne było zamontowanie obejścia wężownicy podgrzewacza (bypass). Dzięki temu otrzymujemy wyrównany rozkład temperatury na całej powierzchni kolektora, a także unikamy ryzyka zbyt wolnego przepływu Tyfocor-u wynikającego z płaskiego ułożenia baterii (kąt 20o). Ponad to minimalizujemy straty ciepła wiążące się z wychładzanie się długich odcinków zładu podczas pulsacyjnej pracy układu. Praca pompy cyrkulacyjnej obiegu solarnego będzie sterowana przy pomocy czujnika napromieniowania zamontowanego w zacienionym miejscu. Przy przekroczeniu progu promieniowania pompa się włączy i będzie pracowała aż do momentu osiągnięcia odpowiednio wysokiej temperatury w obiegu. Drugą funkcją wynikającą z zainstalowania czujnika napromieniowania jest "eksploatacja ekonomiczna". Polega ona ograniczeniu dogrzewania c.w.u. przez kocioł przy pomocy regulatora Solartrol-M (symulowanie wyższej o 10oC wody w zasobniku).
W okresie maj-wrzesień instalacja solarna będzie oddawać nadwyżki ciepła do basenu poprzez wymiennik Vitotrans 200 zlokalizowany w budynku "A". Czynnik grzewczy będzie transportowany przy wykorzystaniu rur preizolowanych (między budynkami "A" i "D"). Układ został tak dobrany, aby w ciepłe słoneczne dni woda w basenie osiągnęła 27oC. Dla zapewnienia tej temperatury należy pamiętać o wyposażyć w roletę rozwijaną na noc. W pozostałym czasie na nadwyżki ciepła będą kierowane do Vitocell V-100 750L, a stąd przy osiągnięciu wyższej temperatury od powrotu instalacji c.o. będą kierowane do obiegu centralnego ogrzewania.
Za zaprojektowany i wykonany przez nas układ technologiczny otrzymaliśmy IV MIEJSCE KONKURSIE VITOPROJEKT 2003 W KATEGORII NAJCIEKAWSZEGO ROZWIĄZANIA TECHNICZNEGO.

Aspekty architektoniczno - budowlane zastosowania kolektorów słonecznych

Aspekty dotyczące instalacji solarnych mają różnoraki charakter. Z zastosowaniem kolektorów słonecznych wiąże się w pierwszym rzędzie zagadnienie doboru odpowiedniego typu kolektora i właściwej dla danych potrzeb jego powierzchni. Bieżący artykuł porusza wyłącznie kwestie interesujące z punktu widzenia architektonicznego. Pominięte zostały powszechnie podkreślane w literaturze aspekty ekologiczne i ekonomiczne.

Typy i konstrukcje kolektorów:

VITOSOL 100
VITOSOL 100 oferowany jest w dwóch rodzajach powierzchni 1,7 lub 2,5 m2 oraz w dwóch rodzajach zabudowy: jako pionowy (Typ S) bądź poziomy (Typ W). Kolektory słoneczne typu VITOSOL 100 dla prawidłowej pracy wymagają pochylenia w zakresie 25 do 70°. W związku z tym możliwa jest ich zabudowa na dachu pochyłym bądź na dachu płaskim, względnie w ogrodzie z zastosowaniem stelaży wolnostojących. W przypadku montażu wolnostojącego na dachu płaskim, należy uwzględnić dodatkowe siły oddziaływania wiatru. Możliwe jest zastosowanie stelaży wolnostojących wraz z dodatkowym obciążeniem (np. żwir, płyty betonowe). Szczegółowe wytyczne projektowe w tym zakresie dostępne są w oddziałach firmy Viessmann.

VITOSOL 200
VITOSOL 200 jest kolektorem próżniowym o bezpośrednim przepływie czynnika grzewczego przez płyty absorberów. Dzięki izolacji cieplnej w postaci próżni, do minimum zostały zredukowane własne straty ciepła. Poprzez takie rozwiązanie praca kolektora staje się w niewielkim stopniu zależna od temperatury otoczenia. W okresie jesienno-zimowym następuje zmniejszenie uzysków energiiwskutek przede wszystkim zmniejszonej dawki dziennego promieniowania słonecznego. VITOSOL 200 jest jedynym kolektorem o wszechstronnych możliwościach zabudowy. Praca kolektora jest możliwa w każdym położeniu, w tym również na dachu poziomym bądź na fasadzie budynku czy barierce tarasu. Tę cechę wykorzystuje się między innymi w przypadkach, gdy brak jest możliwości zabudowy kolektorów na dachu (np. o skomplikowanej budowie), a także w strefach o zwiększonych opadach śniegu. Specjalnie dla zabudowy na barierce oferowany jest kolektor VITOSOL 200 Typ D10 o zmniejszonej szerokości równej 741 mm.

VITOSOL 300
VITOSOL 300 z uwagi na konstrukcję stanowi najwyższy poziom technologiczny w zakresie budowy kolektorów słonecznych. Działanie oparte jest na zasadzie "rurki cieplnej" ("Heatpipe"), gdzie ciepło odbierane jest przez mieszankę alkoholową odparowującą wskutek tego i samoczynnie przepływającą ku górze. W górnym wymienniku dwururowym mieszanka oddaje ciepło skraplając się przy tym i wracając jako ciecz w dół kolektora. Połączenie między poszczególnymi rurami próżniowymi a górnym wymiennikiem ciepła ma charakter tzw. "suchy". Dzięki temu nie ma kontaktu bezpośredniego z czynnikiem grzewczym, ułatwiony jest montaż na trudno dostępnych dachach (jako pojedyncze elementy), a w przypadku ewentualnych uszkodzeń możliwa jest wymiana pojedynczej rury bez przerywania pracy instalacji solarnej. VITOSOL 300 wymaga pochylenia w zakresie 25 do 70°, stąd możliwa jest zabudowa na dachu pochyłym lub stelażu wolnostojącym. Korzystną cechą wspólną kolektorów próżniowych rurowych jest możliwość obracania rur, tak aby promienie słoneczne docierały prostopadle do powierzchni płyt absorberów.

Istotne wskazówki projektowe

Dla pracy kolektora słonecznego korzystne jest jego skierowanie na POŁUDNIE. Akceptowane są przy tym odchyłki 45° (SW-SE), dla których praktycznie nie stwierdza się jeszcze zmniejszenia efektywności pracy kolektora. Pochyleniem odpowiednim dla całorocznej pracy kolektora jest kąt rzędu 30°, przy czym tu również akceptuje się kąty w zakresie od 25 do 45°. Przy ustawieniu pionowym o około 20% zmniejszają się uzyski energii w okresie letnim. Z uwagi na sezonowość napromienienia powierzchni Polski w ciągu roku (80 % energii rocznej w okresie IV-IX), najczęstszym wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego jest wspomaganie podgrzewu wody użytkowej oraz wody basenowej. Dobór wymaganej powierzchni kolektorów dla tych potrzeb jest możliwy już na etapie projektu budynku. Dla zakładanych typowych warunków rozbioru wody użytkowej czy pracy basenu, zostały opracowane tabele dla bezpośredniego doboru powierzchni kolektorów. Pokrycie roczne potrzeb wody użytkowej jest zakładane na maksymalnie 60 %. Instalacja solarna jest przy tym tak dobrana, aby w najkorzystniejszych miesiącach letnich nie występowały nadwyżki energii cieplnej (ponad 100%) powodujące przegrzewanie kolektorów słonecznych. W przypadku basenów rozróżnia się dwa główne okresy wspomagania ich pracy. Ponieważ w okresie letnim kolektory płaskie i próżniowe wykazują podobną efektywność, wskaźniki doborowe mają podobne wartości.

Szczegółowe informacje dotyczące zagadnień wykorzystania energii promieniowania słonecznego dostępne są bezpośrednio w centrali firmy BEHRENDT.