Instalacje termosyfonowe

Wstęp

O instalacjach solarnych termosyfonowych wspomniałem już przy okazji wyjaśniania zasady działania solarów. Technologia popularna w ciepłych krajach (Australia, Nowa Zelandia), w Polsce stosowana jest sporadycznie, być może z uwagi na zbyt małą wiedzę w tym temacie. W artykule nie będę zachęcał do jej zakupu i instalowania. Celem serwisu jest bowiem tradycyjnie wiedza i dlatego chciałbym poniżej przybliżyć zasadę działania tego typu systemów, ich odmiany i możliwości montażu. To też jeden z działów OZE, wciąż słabo opracowany przez krajowe media. Mam nadzieję, że wyjaśnię chociaż część problemów.

Zasada działania

W klasycznych systemach solarnych obieg czynnika pomiędzy kolektorem a zasobnikiem ciepła wymusza pompa solarna, która pokonuje wszystkie opory przepływu występujące na drodze kolektor – zasobnik. W instalacjach termosyfonowych pompa jest zbędna, krążenie czynnika pomiędzy kolektorem dachowym a zasobnikiem odbywa się na zasadzie grawitacyjnej i związane jest z różnicą gęstości pomiędzy zimnym i ogrzanym czynnikiem.

 Grawitacyjne krążenie nie jest niczym nowym, było popularne w starych instalacjach centralnego ogrzewania z naczyniami wzbiorczymi systemu otwartego. Wielkość takiego ciśnienia obliczana jest ze wzoru:

 P = ρhg [Pa]

gdzie:

• ρ – jest gęstością cieczy w [kg/m³
• h – wysokością słupa cieczy [m]
• g – przyspieszeniem ziemskim równym 9,81 [m/s²]

W przypadku kolektora dachowego pracującego w systemie termosyfonowym wielkość ciśnienia grawitacyjnego jest znikoma. Przyjmując zbiornik (zasobnik ciepła) umieszczony powyżej kolektora, różnica wysokości między dolną powierzchnia kolektora, a górną zasobnika nie przekracza zwykle 2m. Wielkość ciśnienia będzie w tym wypadku zależała głównie od różnicy temperatur wytworzonej między tymi dwoma przestrzeniami. Im będzie większa, tym krążenie będzie bardziej intensywne. Przy Δt = 20°C i h=2m wyniesie np. 392Pa, czyli około 4 mbar. W początkowej fazie działania kolektora termosyfonowego zimna woda z zasobnika opada pod własnym ciężarem na dno kolektora dachowego, zostaje ogrzana przez promieniowanie słoneczne i jako lżejsza powraca do zasobnika. Wymuszone różnicą gęstości krążenie trwa do momentu, aż różnica temperatur pomiędzy dolną częścią zasobnika a górną kolektora stanie się na tyle mała, że wytworzone ciśnienie grawitacyjne nie będzie w stanie pokonać oporów przepływu w instalacji. Przy rozbiorze wody (pobór ciepłej wody) gorąca woda z górnej części zasobnika zostanie odprowadzona do wylewki w budynku, a na jej miejsce do dolnej części zasobnika wpłynie zimna z wodociągu i proces zacznie się od nowa. 

  Aby cały system mógł prawidłowo pracować, muszą być spełnione poniższe warunki:

• zasobnik musi być zawsze powyżej kolektora
• należy do minimum ograniczyć opory przepływu między kolektorem a zasobnikiem

Ten drugi warunek powoduje, że w instalacjach termosyfonowych należy unikać gwałtownych załamań przewodu (niedopuszczalne są np. kolana o kącie 90°). Średnica rur też nie może być przypadkowa.  Z doświadczeń firm wynika, że minimalna średnica rury miedzianej zapewniająca wymaganą cyrkulację,  to 22mm. 

Rys. Prawidłowe (górny rys.) i nieprawidłowe (zbyt ostre zmiany kierunku) podłączenie zasobnika z kolektorem w systemie termosyfonowym.(źr. hotsolarwater.com)

 Rodzaje instalacji termosyfonowych

Instalacje słoneczne termosyfonowe mogą współpracować z różnymi typami kolektorów, jak:

• kolektory płaskie
• kolektory rurowe

W obu przypadkach należy dążyć do tego, aby kolektor posiadał minimalne opory przepływu czynnika. W przypadku kolektorów płaskich zaleca się stosowanie absorberów o konstrukcji harfy, natomiast unikanie wymienników ciepła meandrowych, gdzie duża ilość łuków wymaga większego ciśnienia grawitacyjnego.

Fot. Kolektor termosyfonowy z wymiennikami harfowymi (Versol)

Rys. Zasada pracy systemu z kolektorem harfowym. Ozn. 1- zawór upustowy, 2- grzałka elektryczna, 3- dopływ wody zimnej, 4- cyrkulacja wody, 5- dopływ wody ogrzanej do zasobnika, 6- anoda magnezowa, 7- odpływ wody gorącej.

W systemach dwuobiegowych kolektor dachowy jest odseparowany od instalacji wody użytkowej i posiada osobny obieg, który podgrzewa wodę w zasobniku. Obieg kolektora może być w tym wypadku wypełniony niezamarzającym glikolem. Separacja dwóch obiegów może polegać na utworzeniu tzw. zbiornika w zbiorniku (obieg kolektora ogrzewa zbiornik zewnętrzny, który ogrzewa wodę w zbiorniku wewnętrznym) lub poprzez zastosowanie wężownicy w zasobniku ciepłej wody.

Zbiornik zasobnika może pracować w systemiejednoobiegowym jak i dwuobiegowym. Systemy jednoobiegowe są pod bezpośrednim ciśnieniem wody z sieci wodociągowej (rys. powyżej). Zimna woda dopływająca z instalacji wypiera w tym wypadku wodę gorąca ze zbiornika. W przypadku braku nasłonecznienia, lub niedostatecznym dogrzaniem wody zbiornik zawiera grzałkę elektryczną o mocy od 1,5-3kW lub wewnątrz budynku wykonany jest osobny podgrzewacz przepływowy. Zabezpieczeniem zbiornika jest zawór upustowy umieszczony w jego górnej przestrzeni. Musi on być okresowo serwisowany poprzez ręczne uruchomienia (co najmniej raz w roku). Zaletą takiego rozwiązania jest prostota budowy i wysoka wydajność cieplna. Wadą – konieczność użytkowania tylko w ciepłych porach roku. W zimie (w warunkach Polski) zasobnik powinien być opróżniony z wody.  W systemach dwuobiegowych kolektor dachowy jest odseparowany od instalacji wody użytkowej i posiada osobny obieg, który podgrzewa wodę w zasobniku. Obieg kolektora może być w tym wypadku wypełniony niezamarzającym glikolem. Separacja dwóch obiegów może polegać na utworzeniu tzw. zbiornika w zbiorniku (obieg kolektora ogrzewa zbiornik zewnętrzny, który ogrzewa wodę w zbiorniku wewnętrznym) lub poprzez zastosowanie wężownicy w zasobniku ciepłej wody.

Pierwszy przypadek pokazuję na rys. poniżej jako rozwiązanie min. firmy Aquasol. Wokół centralnego zbiornika zasobnika utworzony jest tutaj płaszcz wewnątrz którego krąży glikol, lub (w ciepłych klimatach) woda.

Rys. Zasada działania systemu dwuobiegowego. Ozn. 1- energia słoneczna kumuluje sie pod szyba kolektora, 2- nagrzewanie absorbera, 3- ciepło z absorbera przekazywane jest do obiegu glikolowego wymuszając cyrkulację czynnika

Stosowanie wężownicy zasobnikowej to rozwiązanie wykorzystywane min. przez firmę Versol w kolektorach typu Versotherm SST/Spira (fot, poniżej). W tym rozwiązaniu wewnątrz zbiornika zasobnika na całej długości umieszczona jest wężownica wykonana z miedzi, lub stali nierdzewnej odbierająca ciepło od wypełniającej zasobnik cieczy. Cieczą może być woda lub dużo droższy, ale odporny na zamarzanie glikol. Tego typu rozwiązania pozwalają stosować systemy termosyfonowe nawet w klimacie umiarkowanym. Warunkiem koniecznym jest zamocowanie czujnika temperatury w zbiorniku zasobnika i załączanie grzałki elektrycznej w sytuacji spadku temperatury poniżej nastawy. 

Instalacje termosyfonowe współpracujące z kolektorami rurowymi próżniowymi, wykorzystują głównie kolektory typu heat-pipe. Kolektor rurowy próżniowy tworzy osobny obieg wypełniony niewielką ilością glikolu, a zamocowany na jego końcu wymiennik ciepła mocowany jest bezpośrednio w zasobniku ciepłej wody. Odparowany przez energię słoneczną glikol skrapla się w chłodniejszej przestrzeni zasobnika i w postaci cieczy powraca do kolektora, po czym cały proces się powtarza.

  Fot. Kolektor termosyfonowy z rurami próżniowymi typu heat-pipe. Po lewej montaż wolnostojący (np. na dachu płaskim lub na gruncie), po prawej montaż na dachu skośnym (Sanko). 

Wady i zalety systemów jedno- i dwuobiegowych.

Systemy jednoobiegowe, zwane też bezpośrednimi są dużo tańsze i prostsze w budowie. Mają też wyższą sprawność cieplną, bowiem nie ma w nich wymiany ciepła pomiędzy dwoma obiegami. Woda użytkowa podgrzewana jest bezpośrednio w kolektorze. Rozwiązanie takie powoduje jednak szereg wad, jak:

• mała odporność na warunki atmosferyczne, system może pracować tylko w ciepłym klimacie; w chłodnym tylko w miesiącach letnich, po czym musi być opróżniony w wody
• kolektory narażone są tutaj na bezpośrednie zarastanie kamieniem kotłowym, przepływa przez nie zwykła woda wodociągowa, której twardość jest na ogół duża i w warunkach wysokiej temperatury będzie osadzać związki wapnia i magnezu na ściankach wymiennika absorbera
• wydajność systemu może spadać w wyniku stopniowego zarastania wymiennika absorbera osadami
• niebezpieczeństwo korozji rur wymiennika absorbera w przypadku wody wodociągowej agresywnej korozyjnie (np. pH <7)
• ograniczona gwarancja producenta na trwałość kolektora
• wpływ ciśnienia w instalacji wodociągowej na trwałość całego systemu

Systemy dwuobiegowe wykorzystujące glikol w obiegu kolektora nie posiadają powyższych wad. Rozdzielenie między sobą obiegów kolektora i wody użytkowej powoduje mniejszy wpływ niskich temperatur na poprawność działania systemu. Najbardziej narażony na zamarzanie w takiej instalacji jest zawsze wymiennik kolektora. Zasobnik ma już izolację termiczną i wolniej się wychładza. Można go też dogrzewać zewnętrznym źródłem ciepła w postaci grzałki elektrycznej. Osobny obieg wody użytkowej chroni kolektor przed zarastaniem kamieniem kotłowym i wydłuża jego żywotność. Z uwagi na bardziej skomplikowaną budowę są one jednak dużo droższe i wymagają okresowej kontroli stanu glikolu, który w warunkach stagnacji temperaturowej (długotrwały brak poboru ciepła) może się starzeń i ulegać termicznemu rozkładowi.

Montaż

Systemy solarne termosyfonowe (jak już wyjaśniłem powyżej), wymagają montażu zbiornika (zasobnika) zawsze powyżej kolektorów, jednocześnie w bezpośredniej ich bliskości. Sytuacja taka powoduje duże problemy w montażu na dachach. Zbiorniki posiadają pojemności rzędu 200 i więcej litrów i wraz z obudową i uzbrojeniem ważą kilkaset kg. Dla porównania przeciętny pełnowymiarowy kolektor dachowy to około 40kg. Tak duża różnica mas systemu tradycyjnego i termosyfonowego powoduje, że nie każda połać dachowa nadaje się do tego celu, a wręcz już na etapie projektowania więźby powinno się zwrócić uwagę na lokalne, dodatkowe obciążenie dachu. Jeśli konstrukcja dachu na to nie pozwala, lub jej jakość jest niepewna, montaż można wykonać obok budynku w silnie nasłonecznionym miejscu, niezagrożonym cieniem od okolicznych obiektów. Pomiędzy zasobnikiem a budynkiem należy wtedy wykonać dobrze zaizolowane przyłącze zasilenia i powrotu.

Fot. Kolektory termosyfonowe w wersji wolnostojącej, zamocowanej obok budynku na podwyższeniu ograniczającym zasięg cienia. (źr. hotsolarwater.com).

Przy długich dachach, silnie nachylonych, istnieje trzecia możliwość – montaż zasobnika na poddaszu. W tym rozwiązaniu zasobnik umieszcza się zwykle w szczycie poddasza i łączy rurami z kolektorem przebijając się przez konstrukcję dachu.

Rys. Dwie wersje montażu zasobnika ciepła w systemie termosyfonowym. U góry – montaż bezpośrednio na dachu w sposób odkryty. U dołu – montaż ukryty na poddaszu. 

Kąt montażu kolektorów

Nie zaleca się instalowania systemu przy nachyleniu mniejszym niż 10°, ponieważ system nie będzie działał w sposób naturalny, a obieg solarny będzie wymagał pompy wspomagającej cyrkulację. Systemy termosyfonowe będą działać najlepiej w zakresie od 20° do 45°, a systemy zainstalowane powyżej 45° będą działać w sposób naturalny, ale instalacja może być trudna. Biorąc pod uwagę powyższe firmy oferują różne rozwiązania stelaży montażowych. W Polsce, z uwagi na sezonowość stosowania kolektorów termosyfonowych najbardziej optymalnym kątem montażu wydaje się kąt 30°.

Stelaż dla dachu o wymaganym kącie nachylenia ma najprostszą budowę. Kolektor zamocowany jest tutaj równolegle do połaci dachowej. Przy dachu o zbyt małym kącie stelaże mają budowę ekierki (rys.)

Rys. Dwa systemy montażu na dachu skośnym w zależności od jego kąta nachylenia (źr. Solimpex).

Przy dachu płaskim lub przy montażu wolnostojącym na gruncie, kąt nachylenia kolektorów wynosi zwykle 30-45°. Stopy stelaża powinny być tutaj zamocowane do elementów betonowych dachu lub betonowego fundamentu.