Dobór wielkości powierzchni kolektorów dachowych zależy od ich przeznaczenia. Kolektory mogą mieć przy tym zastosowanie:
A- jako źródło ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynku
B- jako źródło ciepła do przygotowania wody basenowej
C- jako źródło ciepła do przygotowania cwu i wspomaganie potrzeb co w budynku
W każdym z powyższych rozwiązań stosuje sie nieco inną metodę obliczania powierzchni kolektorów. Poniżej zostanie opisany algorytm stosowany przez firmę Hewalex i w oparciu o normę PN-EN12977-1:2012 „Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy — Systemy wykonywane na zamówienie — Część 1: Wymagania ogólne dla słonecznych podgrzewaczy wody i systemów dwufunkcyjnych”.
A. Dobór instalacji solarnej dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej
Zgodnie z normą PN-EN 12977 za małą instalację solarną można uznać taką, gdzie całkowita powierzchnia absorberów nie przekracza 30 m2, a pojemność wody (użytkowej lub grzewczej) magazynującej ciepło wynosi do 3.000 litrów. Do małych instalacji solarnych zalicza się standardowe układy podgrzewania wody użytkowej, a także dwufunkcyjne – wspomagające dodatkowo centralne ogrzewanie budynku. Dobór małej instalacji solarnej do podgrzewania wody użytkowej należy przeprowadzić zgodnie z algorytmem:
1. Obliczenie zapotrzebowania ciepła na potrzeby cwu.
zapotrzebowanie energii do podgrzania ciepłej wody użytkowej można wyznaczyć ze wzoru:
gdzie:
0,00116 – przelicznik ciepła właściwego na wody na kWh/kgxK
m – masa zużytej wody [kg]
ΔT – różnica temperatur pomiędzy wodą ciepłą w punkcie poboru a wodą zimną w instalacji [K]
Obliczoną wartość energii należy powiększyć o tzw. straty postojowe podgrzewacza wynikające ze strat ciepła zbiornika, jak i straty z tytułu krążenia wody w instalacji cyrkulacyjnej (jeśli istnieje).
Straty postojowe zależą od konstrukcji zbiornika i jego pojemności. Ogólnie im większy zbiornik tym mniejsze straty w przeliczeniu na jednostkę objętości. W przybliżeniu możemy przyjąć wielkość strat postojowych według tabeli.
Tabela. Przybliżone straty ciepła postojowe Qpdg zbiornika
| Wielkośc zbiornika | Wysokość strat ciepła [kWh/dobę] |
| 200-300 litrów | 1,3-1,7 |
| 400-500 litrów | 2,0-2,5 |
| 750-1000 litrów | 3,5-4,0 |
| 2000-3000 litrów | 5,5-7,0 |
| 4000-5000 litrów | 7,5-9,0 |
Straty z tytułu cyrkulacji – zależą od długości przewodów cyrkulacyjnych, grubości izolacji i czasu pracy pompy cyrkulacyjnej. Straty te można obliczyć, możemy też przyjąć w wersji przybliżonej na podstawie uśrednionych wielkości. Według firmy Hewalex wielkość strat ciepła Qcrk z tytułu cyrkulacji można przyjmować w wysokości:
8-10 W/mb przy dobrej izolacji przewodów
20-30 W/mb przy braku izolacji, lub izolacji nieszczelnej z dużą ilością mostków termicznych (np. niezaizolowane kolana, zawory, przejścia przez ścianę itp.)
W budynkach wielorodzinnych, straty można przyjmować na podstawie szczegółowych danych projektowych, a przy ich braku na podstawie wyliczonych wskaźników rzeczywistych budynków w wysokości:
12-18 kWh/m2rok
2-2,8 kWh/mieszkanie x dzień
Ogółem wielkość strat ciepła na cyrkulację wynosi przeciętnie w bilansie zapotrzebowania ciepła na pogrzanie wody:
8-10% w budynkach jednorodzinnych
20-35% w budynkach wielorodzinnych
Całkowite zapotrzebowania ciepła z tytułu przygotowania cwu wyniesie więc:
2. Dobór rodzaju i powierzchni kolektorów dachowych
Dobowa wielkość uzysku ciepła z kolektorów słonecznych Ed, zależy od wielkości insolacji w danej miejscowości, a także od stopnia pokrycia energii w instalacji i temperatury jej pracy. Im wyższa temperatura pracy tym niższa sprawność kolektora i tym samym mniejszy jednostkowy uzysk ciepła. Wielkość dobowej ilości energii docierającej do kolektora można obliczyć programami symulacyjnymi, jednak nawet tak wyznaczona wartość Ed nie jest zbyt dokładna z uwagi na zmieniające się warunki pracy i środowiska. W przybliżeniu można przyjąć, że w zależności od typu instalacji, zyski dla kolektorów płaskich i rurowych wyniosą (Tabela 2).
Tabela 2 Wielkość zysków ciepła z 1m2 apertury kolektorów (dane firmy Hewalex)
|
Rodzaj instalacji |
Zyski w kolektorze płaskim [kWh/d] |
Zyski w kolektorze rurowym [kWh/d] |
|
Instalacja do podgrzewania wody użytkowej z wysokim stopniem pokrycia potrzeb ciepła (50÷60 %/rok) |
3,0 |
3,3 |
| Instalacja do podgrzewania wody użytkowej z przeciętnym
stopniem pokrycia potrzeb ciepła (30÷50 %/rok) |
3,5 | 3,8 |
| Instalacja do wstępnego podgrzewania wody użytkowej z niskim stopniem pokrycia potrzeb ciepła (< 30 %/rok) Instalacja do podgrzewania wody basenowej | 4,0 | 4,6 |
Wymaganą w instalacji liczbę kolektorów można określić ze wzoru:
– 
gdzie:
Fa – pole powierzchni apertury pojedynczego kolektora
ηo– współczynnik korekcyjny uwzględniający sposób montażu kolektora przyjmowany według tabeli 3
Tabela 3 Współczynnik korekcyjny zysków kolektora (Uwaga – kolorem zielonym oznaczono zalecane kierunki montażu kolektorów)
3. Obliczenie wymaganej pojemności zasobnika cwu.
Prawidłowo dobrany zasobnik ciepłej wody akumuluje energię słoneczną nie dopuszczając do przegrzewu baterii kolektorów (powstania temperatury stagnacji). Pozwala jednocześnie na uzyskanie wody o odpowiedniej temperaturze, w krótkim okresie. Zbyt duży zasobnik podraża koszty całej instalacji powodując dodatkowo:
– problemy z higienizacją wody, wzrost kosztów związanych z okresowym przegrzewaniem wody w celu usunięcia bakterii legionelli
– wzrost strat ciepła
Jeżeli rozbiór ciepłej wody w instalacji następuje poza godzinami akumulacji ciepła (zwykle zasobniki akumulują ciepło między godzinami 10.00-16.00), konieczne jest zwiększenie wymaganej pojemności zasobnika przez jego przewymiarowanie względem dobowego zapotrzebowania na cwu. Stosuje się wtedy mnożnik 1,5-2. Taki sposób projektowania dotyczy np. domków jednorodzinnych, gdzie właściciele mogą w godzinach pracy instalacji przebywać poza domem.
Całkowita pojemność zasobnika można wstępnie wyliczyć tutaj z zależności:
gdzie:
- Vzmin……… minimalna pojemność zasobnika
- Vp…………. zapotrzebowanie cwu na 1 osobę
- P………. liczba osób w gospodarstwie domowym
- tw………….. temperatura cwu w punkcie poboru
- tk…………… temperatura wody zimnej
- tz…………… temperatura wody w zasobniku(50-60) 0C
Ostateczną pojemność zasobnika ciepłej wody wyliczamy na podstawie wyznaczonej ilości kolektorów i ich powierzchni apertury. Wzór poniżej. Współczynnik „k” w przypadku domków jednorodzinnych można przyjąć równy 0. W przypadku budynków wielorodzinnych, pensjonatów, itp, rozbiór ciepłej wody występuje przez całą dobę. (schemat rozbioru po lewej)
Według firmy Hewalex w domach wielorodzinnych współczynnik rozbioru cwu w godzinach 10.00-16.00 wynosi 0,35. Stosowanie takiego współczynnika w obliczeniach pojemności zasobnika pozwala na zmniejszenie wymaganej objętości zbiorników. Objętość zasobnika można wyliczyć z zależności:
gdzie:
Vpdg – objętość podgrzewacza (zasobnika) w dm3
Lk – liczba kolektorów słonecznych
Fa- powierzchnia apertury pojedynczego kolektora m2
Ed – dobowy zysk ciepła w kWh/d na 1m2 kolektora
q – wskaźnik pojemności cieplnej wody w Wh/dm3 przyjmowany według tabeli 4 zależny od stopnia podgrzania wody lub wyliczany z zależności 1,16xΔT
k- współczynnik korekcyjny wyrażający jaka część ilości dobowego poboru wody użytkowej przypada na główny okres pracy instalacji solarnej w godzinach 10.00-16.00 (według danych firmy Hewalex dla instalacji w budynkach wielorodzinnych współczynnik ten wynosi 0,35)
Tabela 4 Pojemność cieplna wody użytkowej
| Stopień podgrzewu ciepłej wody | Pojemność cieplna q w [Wh/dm3] |
| Podgrzewanie od 10-45ºC | 40,6 |
| Podgrzewanie od 10-50ºC | 46,4 |
| Podgrzewanie od 10-55ºC | 52,2 |
| Podgrzewanie od 10-60ºC | 58 |
| Podgrzewanie od 10-70ºC | 69,6 |
4. Wymagana powierzchnia wymiany ciepła w zasobniku
Dla zapewnienia niezakłóconego odbioru ciepła z kolektorów dachowych, zasobnik musi posiadać odpowiednią powierzchnię wymiany ciepła (powierzchnię wężownicy obiegu solarnego). Przyjmuje się, że powinna ona wynosić około 0,2m2 na każdy m2 powierzchni apertury kolektorów. W przypadkach wyjątkowych dopuszcza sie wielkość 0,15m2/m2 w instalacjach solarnych o zwiększonym odbiorze ciepła. Wskaźnik powyższy można obliczyć ze wzoru:
gdzie:
- FW – powierzchnia wężownicy [m2]
- Lk – liczba kolektorów słonecznych
- FA – powierzchnia apertury kolektora [m2]
5. Wskaźnik pojemności podgrzewacza „fp”
Informuje jaka objętość ciepłej wody przypada na 1m2 kolektora. Według Hewalex wskaźnik ten powinien wynosić:
- 45-60 dm3/m2 kolektora dla kolektorów płaskich
- 70-85 dm3/m2 kolektora dla kolektorów rurowych (np.Thermomax)
fp = VPDG/ (Lk x Fa)
B. Dobór kolektorów na potrzeby podgrzania wody basenowej
Wymiarowanie kolektorów na potrzeby instalacji basenowych wymaga szczegółowej wiedzy o charakterze użytkowania basenu (otwarty, kryty), jak i samych oczekiwań użytkowników. Baseny odkryte bardzo intensywnie parują i temperatura wody szybko w nich spada. Są ponadto narażone na działanie wiatru i falowanie, co dodatkowo przyspiesza wychładzanie wody. Basen kryty, choć dużo droższy, ma znacznie mniejsze straty ciepła, wręcz kilkukrotnie, co w dłuższej perspektywie może okazać się opłacalne inwestycyjnie. Generalnie na zapotrzebowanie ciepła do podgrzewania wody w basenie mają wpływ:
– wymagana temperatura wody basenowej oraz temperatura i wilgotność powietrza
– zastosowanie rolety, folii lub innego przykrycia lustra wody
– intensywność ruchu powietrza nad lustrem wody
– zacienienie lustra wody (dotyczy basenów otwartych) przez otaczające basen obiekty
– zabudowa niecki basenu (wolnostojąca, zagłębiona w gruncie)
Wszystkie powyższe czynniki w różnym stopniu oddziaływają na zapotrzebowanie ciepła. Największe straty ciepła stanowiące około 70%, stanowią straty przez parowanie powierzchniowe wody. Około 15% strat związanych jest z promieniowaniem lustra wody, a około 10% z konwekcją. Pozostałe 5% strat to przenikanie ciepła od ścian basenu do podłoża (zob. rys.). Wynika stąd, że głębokość basenu w znikomym stopniu wpływa na zapotrzebowanie ciepła. Decyduje o tym głównie jego powierzchnia.
Warto w tym momencie zwrócić uwagę, że projektowanie instalacji basenowej musi uwzględniać okresową wymianę wody (np. na początku nowego sezonu), przez jej całkowite spuszczenie z basenu i napełnienie go wodą świeżą. Prace takie w zależności od rodzaju basenu zachodzą z różną częstotliwością i są obwarowane osobnymi przepisami sanitarnymi.
Wymagania dla basenów określają „Wytyczne Głównego Inspektoratu Sanitarnego w sprawie wymagań jakości wody oraz warunków sanitarno-higienicznych na pływalniach” z 2014 r. Według p. 1.18 wytycznych, częstotliwość wymiany wody wynosi:
Opróżnianie niecki, gruntowne jej mycie i dezynfekcja:
• niecek basenowych, pływalni – min. 1 raz do roku.
• niecek basenowych z hydromasażem – min. 1 x w tygodniu przy połączonym systemie uzdatniania wody z innymi basenami oraz codziennie przy wyodrębnionym systemie uzdatniania wody. Równocześnie powinny być opróżniane i czyszczone kanały powietrzne.
Odsysanie osadu z dna basenu kąpielowego – min. 3 razy w tygodniu.
Czyszczenie ścian niecki basenu kąpielowego – min. 2 razy w miesiącu.
Czyszczenie rynien przelewowych – min. 1 raz w tygodniu.
Czyszczenie, opróżnianie, dezynfekcja i płukanie zbiornika do magazynowania wody:
• w systemach uzdatniania wody basenów kąpielowych – min. 2 razy do roku,
• w systemach uzdatniania wody basenów z hydromasażem – min. 4 razy do roku.
Całkowita wymiana wody wymaga jej podgrzania od temperatury wody zimnej z wodociągu (około 8-10°C) do temperatury użytkowej (np. +26°C) i musi to być dokonane przez konwencjonalne źródło ciepła (np. kocioł). Instalacja solarna sama sobie z tym nie poradzi, musiałaby być mocno przewymiarowana. Solary mają natomiast w późniejszym okresie eksploatacji pokryć straty ciepła, utrzymując temperaturę wody w basenie na żądanym poziomie. Przykładowy schemat instalacji solarnej do przygotowania wody basenowej z wykorzystaniem dodatkowego źródła ciepła (kotła gazowego) pokazuje rys. poniżej
Rys. Schemat instalacji basenowej z dwoma wymiennikami ciepła basenowymi pracującymi na obiegach instalacji solarnej i wody kotłowej (Hewalex)
Obliczanie ilości kolektorów
Dobór ilości kolektorów dachowych można przeprowadzić według wzoru:
gdzie:
qP – jednostkowe zapotrzebowanie ciepła ze względu na odparowanie wody [W/m2] qP-O : przy lustrze wody odsłoniętym qP-R: przy lustrze zasłoniętym roletą/folią
– hO – czas pracy basenu z odsłoniętym lustrem wody [h]
– hR – czas pracy basenu z zasłoniętym lustrem wody [h]
– FB – powierzchnia lustra wody basenowej [m2]
– FA – powierzchnia apertury kolektora słonecznego [m2]
– Ed – maks. uzysk ciepła kolektora [kWh/m2d]
– ηo – współczynnik korekcyjny zwiększający powierzchnię kolektorów przy niekorzystnych warunkach zabudowy
Jednostkowe zapotrzebowanie ciepła można przyjmować według tabeli
Tabela. Jednostkowe zapotrzebowanie ciepła dla wody basenowej w zależności od stanu lustra wody
|
Stan lustra wody basenowej |
Jednostkowa ilość pary wodnej (odparowanie) g/m2h |
Jednostkowe zapotrzebowanie ciepła qp [W/m2] |
| mocno wzburzone | 180-200 | 125-140 |
| umiarkowanie wzburzone | 100-120 | 70-85 |
| spokojne „gładkie” | 60-80 | 40-55 |
| przykryte roletą | 5-15 | 4-10 |
Przy obliczaniu basenów prywatnych można przyjąć stan odparowania jak dla spokojnego lustra wody.
Przykład obliczeniowy
Dobrać ilość kolektorów dachowych płaskich o pow. apertury 1,9m2 dla basenu hotelowego o wymiarach 10x5m, krytego, bez rolety. Czas użytkowania basenu w ciągu doby wynosi 12h.
Rozwiązanie
Dla basenu hotelowego możemy przyjąć lustro wody lekko wzburzone, związane z jego użytkowaniem w ciągu dnia oraz spokojne dla okresu postoju. Przyjmując najbardziej korzystne usytuowanie kolektorów ich ilość wyniesie:
Spróbujmy teraz policzyć ile wyniosłoby zapotrzebowanie ciepła na pogrzanie wody świeżej w tym basenie, przy stopniu jej wymiany rzędu 5% na dobę. Musimy w tym wypadku przyjąć głębokość basenu, niech to będzie 1,6m. Dobowa ilość wody wyniesie w tym wypadku 10x5x1,6×0,05×1000 = 4000 litrów. Przy założeniu temperatury wody zimnej rzędu 10°C i ciepłej 26°C, wymagana ilość energii wyniesie.
Przy naszych 11 kolektorach o dobowej produkcji 4kWh każdy, zabraknie jeszcze ponad 30 kWh dla pokrycia tylko strat ciepła z tytułu podgrzania wody. Jak widać, dodawanie w bilansie zapotrzebowania ciepła ilości energii z tytułu wymiany wody radykalnie zwiększa ilość kolektorów i jest błędem. Jeśli istnieje potrzeba bieżącej wymiany wody w basenie należy projektować do tego celu osobne źródło ciepła.