EN
Zasady działania i konstrukcja systemów pod ciśnieniem
Nadciśnieniowe systemy ogrzewania słonecznego wykorzystują obiegi zamknięte. Ciecz grzewcza (którą może być woda lub mieszanina wody i glikolu propylenowego) jest pompowana pod ciśnieniem 50–100 psi przez kolektor montowany na dachu oraz izolowany zbiornik ciepłej wody. Główne zalety tych systemów to możliwość ich połączenia ze standardowymi instalacjami wodno-kanalizacyjnymi w budynkach mieszkalnych. Oznacza to, że wszystkie krany i prysznice zapewniają stałe ciśnienie wody i jej temperaturę, nawet w przypadku jednoczesnego korzystania z ciepłej i zimnej wody przez kilku użytkowników w budynkach wielopiętrowych. Aby uwzględnić rozszerzanie się cieczy pod wpływem nagrzewania, systemy te są wyposażone w specjalne zbiorniki kompensacyjne. W większości instalacji preferowanym materiałem rur jest stal nierdzewna lub miedź, ponieważ materiały te charakteryzują się wysoką odpornością na korozję. Dzięki temu są one odpowiednim wyborem zapewniającym długotrwałą sprawność zarówno w instalacjach wodno-kanalizacyjnych w budynkach mieszkalnych, jak i w obiektach komercyjnych.
Systemy termosyfonowe działające pod ciśnieniem funkcjonują poprzez proces zwany konwekcją naturalną. W tym procesie kolektory słoneczne montowane na dachu nagrzewają wodę. Nagrzana woda unosi się naturalnie do zbiorników magazynowych umieszczonych wyżej niż kolektory. Oznacza to brak pomp oraz niepotrzebność drogich elementów odpornych na ciśnienie. Większość konstrukcji wykonana jest z tanich materiałów (np. kauczuku EPDM i polipropylenu). Taki rodzaj konstrukcji jest dopuszczalny, ponieważ systemy te pracują przy normalnym ciśnieniu (ciśnieniu atmosferycznym). Te systemy posiadają specjalne funkcje przeznaczone na okresy obniżenia temperatury poniżej zera stopni Celsjusza (zimne zimy). Automatycznie opróżniają i przepłukują rury kolektorów z wody, aby zapobiec uszkodzeniom spowodowanym zamarzaniem i pękaniem rur.
Kluczowe różnice w materiałach i wymianie ciepła
Różnice w materiałach i konstrukcji wynikają z odmiennych podstawowych zasad działania. Ze względu na obecność stałego ciśnienia wymagane są metale o wysokiej wytrzymałości (odporne na korozję), takie jak stal nierdzewna, do rurociągów oraz wymienników ciepła w systemach pracujących pod ciśnieniem. Systemy niepracujące pod ciśnieniem nie muszą spełniać tych wymagań, co umożliwia szersze zastosowanie materiałów polimerowych. Dzięki temu znacznie obniża się koszt budowy oraz ułatwia się montaż.
Różne systemy wykorzystują różne metody przekazywania ciepła. Jednostki pracujące pod ciśnieniem zwykle wyposażone są w wewnętrzne cewki lub płaszczowe wymienniki ciepła umieszczone w dobrze zaizolowanych zbiornikach. Takie konstrukcje zapewniają oddzielenie wody pitnej od obiegu glikolu. Choć taki projekt zmniejsza ryzyko zamarzania, to zwiększa złożoność konserwacji. Systemy niemające ciśnienia działają inaczej. W niektórych systemach ogrzewanie wody odbywa się bezpośrednio w kolektorze – tzw. bezpośredni termosyfon. Inne wyposażone są w proste zewnętrzne wymienniki ciepła. Systemy niemające ciśnienia działają lepiej przy umiarkowanych temperaturach i charakteryzują się wyższą sprawnością. Jednak nagłe zmiany temperatury znacznie pogarszają ich wydajność oraz odporność na warunki pogodowe.
Dobór najbardziej odpowiedniego solarnego ogrzewacza wody do warunków lokalizacji
Ciśnienie wody oraz rodzaj instalacji sanitarnej i budynku
Zrozumienie obecnego systemu wodociągowego jest kluczowe przy określaniu odpowiedniości danego systemu. W większości nowoczesnych budynków stosuje się system pod ciśnieniem, w którym woda jest dostarczana do poszczególnych jednostek za pośrednictwem głównych przewodów zasilających. Dlatego też podgrzewacze wody pod ciśnieniem są idealne dla mieszkań, kondominium oraz wielopiętrowych budynków mieszkalnych, gdzie na każdym piętrze wymagane jest odpowiednie ciśnienie wody. Takie systemy są również idealne podczas remontu starszych budynków, ponieważ pozwalają uniknąć bardziej uciążliwych modyfikacji istniejącej konstrukcji – które mogą być konieczne przy tradycyjnych instalacjach – np. wykorzystania dachu lub strychu.
Systemy grawitacyjne świetnie sprawdzają się w przypadku systemów niepodciśnieniowych, np. w obszarach wiejskich, starszych budynkach z zbiornikami na zimną wodę umieszczonymi na dachu lub całkowicie odłączonych od sieci systemach. Problemy pojawiają się, gdy odległość pionowa między punktem zbierania a wlotem do punktu zbierania jest zbyt mała. Zazwyczaj wymagana jest różnica wysokości wynosząca co najmniej pół metra. Może to stanowić problem w budynkach z niskim nachyleniem dachu lub z dachami płaskimi. System niepodciśnieniowy może działać niewystarczająco dobrze przy niskim ciśnieniu wody (około 20 psi – funtów na cal kwadratowy), ponieważ woda w takich systemach przepływa bardzo wolno i ledwo kapiąco. Tymczasem system podciśnieniowy radzi sobie z taką sytuacją znacznie lepiej. Zawsze należy dokładnie zbadać istniejącą instalację sanitarno-techniczną przed montażem, aby zminimalizować konieczność stosowania pomp i zaworów. Jest to szczególnie ważne w starszych budynkach, w których należy jak najmniej zakłócać istniejącą instalację. Pojemność dachu pod obciążeniem, klimat oraz ocena ryzyka zamarzania
Stwierdziliśmy, że wytrzymałość konstrukcyjna i odporność na warunki atmosferyczne są kluczowymi aspektami badawczymi przed wybraniem budynku do instalacji fotowoltaicznych. System dachu płaskiego zazwyczaj zwiększa obciążenie o 30–50 kilogramów na metr kwadratowy. Systemy bezciśnieniowe są zwykle lżejsze, ponieważ zawierają mniejsze zbiorniki wbudowane w projekt systemu, co ułatwia ich montaż na istniejących już konstrukcjach. Większość instalacji słonecznych dobrze sprawdza się na dachach pochyłych. Istnieje jednak jedno ważne zastrzeżenie: instalatorzy powinni pamiętać, że wzdłuż linii brzegowej występują silniejsze siły wiatru, co zwiększa wymagania dotyczące mocowania o około 15–20 procent. Oznacza to, że w tych obszarach konieczne jest zastosowanie certyfikowanych systemów montażowych oraz zatrudnienie specjalnie certyfikowanych instalatorów, aby zagwarantować odporność systemu na burze.
Ryzyko zamarzania jest ważnym czynnikiem przy doborze systemów grzewczych. W regionach, w których temperatura opuszcza zero stopni przez więcej niż dwa kolejne dni w ciągu roku, wybiera się systemy niskociśnieniowe połączone z roztworami glikolu jako środka przeciwzamarzaniowym. Ta mieszanina zapobiega zamarzaniu rur. Systemy bezciśnieniowe natomiast zależą od skutecznych systemów odpływu zwrotnego (drain-back). Obejmują one odpowiednio nachylone przewody umożliwiające odpływ wody, zawory bezpieczeństwa, zapasowe rozwiązania operacyjne w przypadku awarii oraz dodatkowy system zasilania dla systemu sterowania. Wymagania dotyczące systemów odpływu i sterowania powodują większe problemy konserwacyjne w takim klimacie. Z drugiej strony – z wyjątkiem kilku ekstremalnie mrozowych regionów – klimaty tropikalne oraz obszary, w których temperatura nigdy nie spada poniżej zera, pozwalają na zastosowanie prostych systemów termosyfonowych bezciśnieniowych, które działają wydajnie przez długie okresy bez konieczności stosowania skomplikowanych mechanizmów. Dla regionów o mniej niż 200 dniach słonecznych w ciągu roku lepszym wyborem są systemy niskociśnieniowe, ponieważ są one skuteczniejsze niż systemy bezciśnieniowe w pogodzie pochmurnej. Wynika to z faktu, że systemy niskociśnieniowe umożliwiają ciągłą cyrkulację nawet w trakcie dłuższych okresów niskiej intensywności promieniowania słonecznego, co ostatecznie zmniejsza prawdopodobieństwo awarii systemu w warunkach pogody niekorzystnej.
Zastosowanie praktyczne i wydajność różnych typów solarnych podgrzewaczy wody
Istnieją dwa główne typy solarnych podgrzewaczy wody: podciśnieniowe i bezciśnieniowe. Istnieje wiele różnych sposobów budowy i konfiguracji tych dwóch typów solarnych podgrzewaczy wody, a ich konstrukcja, warunki pogodowe, którym są narażone, oraz umiejętności instalatora mogą znacznie wpływać na ich wydajność. Wysokiej jakości instalacje zazwyczaj pokrywają od 50 do 75% swoich potrzeb na ciepłą wodę dzięki energii słonecznej. Modele podciśnieniowe osiągają zwykle wyższe procenty, ponieważ konstrukcja ich wymienników ciepła jest lepsza, co umożliwia bardziej efektywne utrzymywanie przepływu przez rury. Dzięki temu są one również bardziej wydajne w chłodniejszej pogodzie lub przy występowaniu fluktuacji temperatur.
Systemy ciśnieniowe i bezciśnieniowe działają inaczej pod względem przekazywania ciepła. Systemy termosyfonowe (bezciśnieniowe) osiągają lepszą wydajność o około 10–15%, gdy jest ciepło, a brak negatywnego wpływu pomp oraz spadająca skuteczność wymiany ciepła z elementów nie pogarsza ich działania. Z drugiej strony systemy ciśnieniowe zapewniają stałą wydajność w ciągu całego roku – średnio w każdej porze roku oraz zimą – a w temperaturach zamarzania ich ogólna wydajność jest o około 30% wyższa. Jednak w obszarach tropikalnych i ciepłych sytuacja wygląda odwrotnie: uproszczona, bezpośrednia metoda ogrzewania stosowana w systemach bezciśnieniowych okazuje się bardziej skuteczna.
Gdy systemy są instalowane, ich skuteczność zależy w większym stopniu od staranności, z jaką przeprowadzona została instalacja, niż od typu danego systemu. Poprawne ustawienie kąta nachylenia systemu ma bardzo duże znaczenie i może nawet zwiększyć jego wydajność o do 25%. Jednak takie problemy jak zacienienie przez inne budynki, nieodpowiedni dobór średnicy rur czy słaba izolacja mogą znacznie bardziej obniżyć przychody generowane przez system niż inne czynniki wbudowane w sam system. Konserwacja jest bardzo ważna. Wewnątrz zatłoczonych wymienników ciepła powstaje osad (skala), a jeśli wymienniki te nie są regularnie czyszczone, sprawność systemu spada o 12% rocznie. Systemy nienaczyniowe są mniej podatne na powstawanie osadu, ale bardziej narażone na tworzenie się zawirowań powietrza oraz osadzania się osadu w otwartych zbiornikach. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie kolektorów rurowych próżniowych są o ok. 15% lepsze niż kolektory płaskie, dlatego są najnowszym i najbardziej optymalnym rozwiązaniem. Najnowsze osiągnięcia w zakresie systemów kolektorów mogą być stosowane w obu typach systemów, pod warunkiem że wszystkie są prawidłowo zainstalowane.
Całkowity koszt posiadania: początkowe inwestycje, utrzymanie oraz zwrot z inwestycji dla systemów solarnego ogrzewania wody
Przy obliczaniu długoterminowych kosztów ludzie często pomijają wydatki wykraczające poza cenę katalogową. Rzeczywista wartość obejmuje montaż, regularne konserwacje oraz oszczędności generowane przez system w ciągu wielu lat. Większość właścicieli domów instalujących systemy solarnego ogrzewania wody wydaje od 3000 do 8000 USD, co obejmuje koszt samego systemu. Jednostki podciśnieniowe wydają się znajdować bliżej górnej granicy tego zakresu. Wynika to z dodatkowych, specjalistycznych komponentów, takich jak richłodniki i zbiorniki rozszerzalne, a także zaworu glikolowego przystosowanego do wysokich temperatur oraz większego nakładu pracy wymaganego od instalatorów. Z kolei modele bezciśnieniowe, np. podstawowe modele termosyfonowe, wydają się początkowo tańsze. Jednak w przypadku niespełnienia określonych warunków lokalizacyjnych mogą pojawić się dodatkowe koszty. Niewystarczająca wysokość nad dachem oraz niskie temperatury powodujące zamarzanie mogą spowodować opóźnienia i wyższe koszty związane z dodatkowym zainstalowaniem układu odpływowego (drain-back) oraz rozwiązań grzewczych.
„Prawidłowa konserwacja kosztuje około pół procenta całkowitych kosztów instalacji systemu. Odpowiada to rocznym wydatkom w wysokości około 15–40 USD na sprawdzanie stanu systemu, uzupełnianie obiegów glikolu pod ciśnieniem oraz sprawdzanie zaworów co trzy do pięciu lat. Ogólnie rzecz biorąc, systemy pod ciśnieniem wymagają mniej wizyt techników w porównaniu z systemami bezciśnieniowymi, jeśli są one zainstalowane w chłodniejszych klimatach; systemy bezciśnieniowe wymagają natomiast mechanicznych systemów odpływu zwrotnego. Dwa najważniejsze problemy eksploatacyjne wpływające na systemy bezciśnieniowe to osadzanie się kamienia kotłowego i sedymentu. Dlatego też przeprowadzanie badań jakości wody jest szczególnie ważne, zwłaszcza w przypadku, gdy twardość lokalnej wody przekracza siedem ziaren na galon. Utrzymanie odpowiedniej jakości wody w celu ograniczenia osadzania się minerałów ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania problemom eksploatacyjnym w przyszłości."
Zgodnie z danymi Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych oszczędności wynikające z zastosowania solarnych ogrzewaczy wody są dość znaczne. Ich analizy wskazują, że solarny ogrzewacz wody pozwala obniżyć koszty podgrzewania wody o 50–80%. Jeśli gospodarstwo domowe zastąpi tradycyjny elektryczny ogrzewacz o jednolitym współczynniku efektywności energetycznej (UEF) równym 1,0 systemem solarnym i przyjmie krajową średnią cenę energii elektrycznej, roczne oszczędności wyniosą 274 USD; w niektórych przypadkach mogą one być jeszcze wyższe. Mimo takich oszczędności przy analizie zwrotu z inwestycji należy uwzględnić także inne czynniki. Ceny energii przewiduje się, że będą rosnąć o 2–5% rocznie, co zwiększa oszczędności. Ponadto wydajność systemu będzie się z czasem obniżać: średnio systemy tracą co roku od 0,5% do 1% swojej wydajności. Można również wziąć pod uwagę dostępne wsparcia finansowe, takie jak federalna ulga podatkowa w wysokości 30% kosztów inwestycji oraz lokalne dotacje. Wszystkie te czynniki wskazują na to, że wysokiej jakości solarny ogrzewacz wody zwróci się w ciągu 6–12 lat. W regionach o chłodnym klimacie, a zwłaszcza w budynkach wielopiętrowych, nowo zakupione modele podciśnieniowe mogą być nieco droższe, ale jednocześnie bardziej skuteczne i trwalsze.
Te systemy zapewniają stałą niezawodność w okresach mrozów, gwarantują stałe ciśnienie w całym budynku oraz pozwalają uniknąć przerw w naprawach i konserwacji, jakie powodują inne systemy.
Często zadawane pytania
Jaka jest różnica między niskociśnieniowymi a bezciśnieniowymi systemami solarnego ogrzewania wody?
Różnicę między tymi dwoma typami systemów stanowi sposób ich działania. W systemach niskociśnieniowych woda jest utrzymywana pod określonym ciśnieniem w zamkniętym obiegu, natomiast w systemach bezciśnieniowych przepływ wody odbywa się na zasadzie naturalnej cyrkulacji, dzięki czemu nie jest wymagany żaden pomp, a ciśnienie pozostaje na poziomie ciśnienia atmosferycznego.
Z jakiego materiału wykonane są elementy systemów niskociśnieniowych, aby zapobiec korozji?
W celu zapewnienia odporności na korozję w systemach niskociśnieniowych stosuje się metale o wysokiej wytrzymałości, takie jak miedź i stal nierdzewna, które bezpiecznie wytrzymują ciśnienie w rurach, wymiennikach ciepła oraz zbiornikach.
Czy systemy bezciśnieniowe są odpowiednie do użytku w klimacie zimnym?
Systemy bezciśnieniowe są często mniej odpowiednie dla klimatu zimnego, ponieważ mogą mieć problemy z zamarzaniem. Wymagają one dobrej funkcji odpływu wody, aby zapobiec uszkodzeniom rur spowodowanym zamarzniętą wodą.
W jaki sposób rodzaj dachu wpływa na montaż solarnych ogrzewaczy wody?
Kąt nachylenia dachu może wpływać na montaż solarnego ogrzewacza wody. Dachy płaskie generują dodatkowe obciążenie, podczas gdy dachy pochyłe są zazwyczaj bardziej przyjazne pod kątem instalacji. Jednak w obszarach nadmorskich wymagane są specjalne rozwiązania montażowe ze względu na silniejsze siły wiatru.
Jakie jest standardowe konserwowanie solarnych ogrzewaczy wody?
Konserwacja zwykle obejmuje sprawdzanie stanu sprzętu, uzupełnianie płynów w systemach ciśnieniowych oraz kontrolę występowania osadów i kamienia. Regularne badanie jakości wody jest wymagane w celu zapobiegania powstawaniu osadów.