Radovan Repnik, univ. dipl. inž. Andrej Vasle, univ. dipl. inž. OSNOVE TERMOSOLARNIH SISTEMOV IN VZDRŽEVANJE STROKOVNO PODROČJE: OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE Datum objave gradiva: oktober 2017 I
KOLOFON Avtorja: Radovan Repnik, Andrej Vasle Naslov: Osnove termo solarnih sistemov in vzdrževanje Elektronska izdaja Založil: Konzorcij šolskih centrov Novo mesto, oktober 2017 url: http://www.razvoj-upd.si/wp-content/uploads/2017/07/5.-vzdrzevanje- TERMOSOLARNIH-SISTEMOV-Vasle-Repnik.pdf Kataložni zapis o publikaciji (CIP) pripravili v Narodni in univerzitetni knjižnici v Ljubljani COBISS.SI-ID=293615616 ISBN 978-961-7046-03-8 (pdf) To delo je ponujeno pod Creative Commons Priznanja avtorstva Nekomercialno deljenje pod enakimi pogoji 2.5 Slovenija licenco I
II
KAZALO VSEBINE 1. OSNOVNA ENERGETSKA ZNANJA O UPORABI SOLARNE TERMIJE... 1 1.1 Izkoriščanje sončne energije... 1 1.2 Fizikalni pogoji koriščenja solarne energije... 3 1.3 Simboli za tehnični opis solarno termičnih naprav... 5 1.4 Lokacija in usmerjenost stavbe... 6 1.5 Materiali cevne mreže... 7 1.6 Spajanje cevi... 7 1.7 Elementi za izvedbo lotnih spojev... 8 1.8 Postopek spajkanja... 9 1.9 Toplotna izolacija cevovodov... 9 1.10 Medij za prenos toplote... 10 1.11 Ekspanzijske posode... 11 2. OSNOVNE FUNKCIJE SONČNIH KOLEKTORJEV... 12 2.1 Sončni kolektor kot zbiralnik sončne energije... 12 2.2 Sestavni deli sprejemnikov sončne energije SSE... 12 2.2.1 Ploščati kolektor... 13 2.2.2 Vakuumski kolektorji... 16 2.3 Hranilniki (zalogovniki) toplote... 17 2.4 Obtočne črpalke... 22 3. ZGRADBA IN DELOVANJE SOLARNEGA SISTEMA... 25 4. POSTAVITEV SPREJEMNIKA SONČNE ENERGIJE... 30 4.1 Varnostni napotki... 30 4.2 Osnovni načini postavitve SSE... 30 4.2.1 Postavitev na poševno streho... 31 4.2.2 Postavitev v poševno streho... 31 4.2.3 Postavitev na ravno streho ali ravno površino... 32 5. PROJEKTNA NALOGA:... 37 6. MONTAŽA KOLEKTORJEV... 45 7. ZAGON SISTEMA... 48 7.1 Vzdrževanje sistema... 49 7.2 Motnje, vzroki in ukrepi za odpravljanje... 50 8. VIRI IN LITERATURA... 52 III
KAZALO SLIK Slika 1: Leta sončna energija v kwh/m2... 1 Slika 2: Mesečno število sončnih ur... 2 Slika 3: Procentualni delež pridobljene energije ob kontinuirani porazdelitvi globalnega sevanja 5 Slika 4: Spajke... 8 Slika 5: Bakrene cevi... 8 Slika 6: Fitingi... 9 Slika 7: Solarni medij... 10 Slika 8: Refraktometer... 11 Slika 9: Delovanje ekspanzijske posode... 11 Slika 10: Serpetinasti absorber... 12 Slika 11: Koeficient absorbcije in emisije... 14 Slika 12: Bruto površina kolektorja... 14 Slika 13: Delež sevanja... 14 Slika 14: Poenostavljena shema ohišja ploščatega SSE... 15 Slika 15: Osnovni deli ohišja ploščatega SSE v prerezu... 15 Slika 16: Vakuumski kolektor... 16 Slika 17: Sestava kolektorja... 16 Slika 18: Osnovni deli hranilnika tople vode... 18 Slika 19: Hranilnik z vgrajenim prenosnikom toplote... 20 Slika 20: Hranilnik z zunanjim prenosnikom toplote... 20 Slika 21: Karakteristika obtočne črpalke... 23 Slika 22: Karakteristika cevovoda... 23 Slika 23: Delovanje črpalke pri konstantni vrtilni hitrosti... 24 Slika 24: Delovanje črpalke pri konstantnem tlačnem padcu vrtilna hitrost se spreminja... 24 Slika 25: Sestavni deli solarnega sistema... 25 Slika 26: Zaporedna vezava... 25 Slika 27: Vzporedna vezava SSE... 26 Slika 28: Varnostni ventil... 29 Slika 29: Odzračevalni ventil... 29 Slika 30: Doprinos kolektorja glede na naklonski kot... 30 Slika 31: Postavitev SSE na poševno streho... 31 Slika 32: Postavitev SSE v poševno streho... 32 Slika 33: Določevanje medsebojnega razmika vrst v polju SSE na ravni ploskvi... 33 Slika 34: Priključek SSE na strelovodno napeljavo... 34 Slika 35: Diagram regulacije temperaturne razlike v solarnem toplotnem sistemu... 35 Slika 36: Diagram za izbiro kolektorja... 39 Slika 37: Določevanje padca tlaka cevnega razvoda... 40 Slika 38: Določevanje padca tlaka v izmenjevalniku toplote... 41 Slika 39: Primer enostavne regulacije solarnega toplotnega kroga... 44 Slika 40: Razdalja pritrditve kolektorja od roba strehe... 45 Slika 41: Primer strešnega sidra... 45 Slika 42: Škarniško sidro... 46 Slika 43: Škarniška prirobnica... 46 Slika 45: Ravni kolektor s škarniškim sidrom... 46 IV
Slika 44: Vakuumski cevni kolektor s škarniškim sidrom... 46 Slika 46: Vakuumski kolektor s škarniškim kavljem... 46 Slika 47: Vakuumski kolektor s škarniško prirobnico... 47 Slika 48: Ravni kolektor s škarniško prirobnico... 47 KAZALO TABEL Tabela 1: Škodljive snovi, ki se sprostijo pri zgorevanju 1 litra kurilnega olja... 2 Tabela 2: Gostota moči sončnega sevanja pri različnih vremenskih razmerah... 3 Tabela 3: Dnevni in letni povprečni globalni obsev na vodoravno ploskev v obdobju 1997-2003. 4 Tabela 4: Odvisnost količine pridobljene energije v % od odvisnosti od kota nagiba... 4 Tabela 5: Simboli za tehnični opis solarno termičnih naprav... 6 Tabela 6: Označevanje cevi iz različnih materialov... 7 Tabela 7: Osnovne lastnosti najpogosteje uporabljenih zmesi vode in glikola... 11 Tabela 8: Možnosti uporabe posameznih izvedb SSE... 13 Tabela 9: Smernice za dimenzioniranje solarnih hranilnikov... 18 Tabela 10: Smernice za določanje specifičnih potreb po STV... 19 Tabela 11: Ocena kakovosti hranilnika na osnovi specifičnih toplotnih izgub... 22 Tabela 12: Osnovni načini za postavitev SSE... 33 Tabela 13: Optimalen nagib SSE odvisen od obdobja uporbe... 34 Tabela 14: Izbira raztezne posode... 43 Tabela 15: Vzdrževalna delo po intervalih... 50 Tabela 16: Motnje, vzroki in ukrepi pri delovanju naprave... Napaka! Zaznamek ni definiran. V
KRATEK POVZETEK Povzetek: Udeleženec pridobi osnovna energetska znanja o uporabi solarne termije. Spozna osnovne funkcije sončnih kolektorjev. Sestavlja in montira gradnike termosolarnega sistema. Izvede sistem priprave STV z uporabo solarnega sistema. Upravlja in vzdržuje termosolarne sisteme. Ključne besede: sprejemnik sončne energije, sončno sevanje, priprava tople sanitarne vode, solarni medij, obnovljivi viri energije, varovanje okolja VI
1. OSNOVNA ENERGETSKA ZNANJA O UPORABI SOLARNE TERMIJE 1.1 Izkoriščanje sončne energije Zmanjševanje rabe energije je zelo pomembno za naše okolje pa tudi za ekonomijo tako posamezne družine kot družbe v celoti. Manjšo rabo energije lahko dosežemo z učinkovito rabo in z izkoriščanjem obnovljivih virov energije. Obnovljive vire energije lahko razdelimo v tri skupine: neposredno izkoriščanje sončnega sevanja (toplota, svetloba, fotovoltaika), posredni učinki sončnega sevanja (tekoče vode, veter, biomasa...), drugi viri (geotermalna energija, plima). Najbolj enostavno in v široki rabi uveljavljeno je neposredno izkoriščanje sončne energije za gretje prostorov (pasivna raba sončne energije) in za pripravo tople vode, ogrevanje prostorov z aktivnimi sistemi pa v naših vremenskih razmerah ni ekonomsko upravičeno. Pri odločanju za vgradnjo naprave za pripravo tople vode, še bolj pa za ogrevanje s sončno energijo v zimskem obdobju, moramo poznati količino sončne energije, ki jo imamo na voljo v našem kraju. Ta je odvisna od letnega časa, geografskih in meteoroloških značilnosti. V krajih s pogosto meglo ali z oblačnostjo pozimi ogrevanje s soncem ni smiselno, priprava tople vode v poletnem času pa je lahko učinkovita. V naših krajih vpade na 1 m 2 površine med 1000 in 1400 kwh sončne energije letno, žal pa je večina te energije na razpolago v času od aprila do oktobra, ko ogrevanje prostorov ni potrebno, le približno 200 do 250 kwh je je na voljo v zimskem času. Slika 1: Leta sončna energija v kwh/m 2 1
Poprečno sončno sevanje (h/mesec) Karta globalnega sevanja za Slovenijo pokaže, da je potencial sončne energije dokaj enakomerno porazdeljen in razmeroma visok. V poprečju je npr. za 10 % višji od nemškega. Na letnem nivoju je razlika med najbolj osončeno Primorsko in najmanj osončenimi področji le 15 %. mesec Slika 2: Mesečno število sončnih ur Rezultati raziskave o koristih, ki jih prinaša uporaba sončnih kolektorjev V vsakem primeru solarne naprave aktivno prispevajo k varstvu okolja. Z vsakim nadomeščenim (privarčevanim) litrom kurilnega olja se zmanjšajo izpusti naslednjih količin škodljivih snovi: Izpust škodljivih snovi Masa žveplov dioksid 5,026 g dušikovi oksidi 1,795 g ogljikov monoksid 4,308 g ogljikovodiki 0,538 g prah 0,180 g toplogredni plin CO2 2,8 kg Tabela 1: Škodljive snovi, ki se sprostijo pri zgorevanju 1 litra kurilnega olja 1 m² kolektorske površine privarčuje na leto 50 litrov kurilnega olja. V normalni 20-letni življenjski dobi 1 m² kolektorske površine nadomesti približno 1000 l kurilnega olja in zmanjša izpuste CO2 za 3 t. V 20 letih prihranimo približno 500 stroškov za gorivo na m² kolektorske površine. Program za simulacijo učinkovitosti delovanja solarnega sistema: https://www.energieschweiz.ch/page/de-ch/solarrechner 2
1.2 Fizikalni pogoji koriščenja solarne energije Količina pridobljene energije (toplote) pri uporabi solarne tehnike je odvisna od naslednjih dejavnikov: jakosti sevanja, kota sevanja na absorbcijsko površino, kvalitete kolektorja in druge opreme, akumulacijskega sistema in njegove sposobnosti hranjenja energije (toplote). Jakost sevanja je moč sevanja sonca na horizontalno površino in je podana v W/m². Ob oblačnem nebu je vrednost sevanja približno 50 W/m², ob jasnem dnevu v času opoldneva pa naraste do 1000 W/m². Za merjenje jakosti sevanja lahko uporabljamo luksmeter. Prikazane vrednosti v luksih (lx) lahko preračunamo na jakost sevanja v W/m² z naslednjim preračunom: 1 W/m² 100 lx Izmerjeno solarno sevanje je sestavljeno iz vsote difuznega (razpršenega) in direktnega sončnega sevanja, ki ga označujemo tudi kot globalno sevanje. vreme jasno megleno/oblačno (sonce le slabo vidno) oblačno (sonce ni vidno) celotno sevanje [W/m 2 ] 600 1000 200 400 50 150 difuzni delež [%] 10 20 20 80 80 100 Tabela 2: Gostota moči sončnega sevanja pri različnih vremenskih razmerah Tudi kadar je nebo jasno, se maksimalna jakost (gostota moči) sevanja čez dan spreminja. Največja jakost se pojavi opoldne, najmanjša pa zgodaj zjutraj in pozno popoldne, ker ima sončno sevanje daljšo pot skozi atmosfero (večja absorbcija) in je zato šibkejše kot opoldne. V Sloveniji je delež difuznega in direktnega sevanja preko leta zastopan približno polovično. Na jugu narašča predvsem delež direktnega sevanja. Globalna jakost sevanja daje preko dneva energijo obsevanja, ki se navaja v kwh/m² in je za Slovenijo zapisana v spodnji tabeli. Ta lahko ob poletnem dnevu znaša do 8 kwh/m² in doseže ob sončnem zimskem dnevu še vedno 3 kwh/m². 3
Kraj Povprečni dnevni globalni obsevi Hg,d kwh/(m 2 d) Meseci januar februar marec april maj junij julij avgust september oktober november december povprečje Globalni letni obsevi Hg,a kwh/(m 2 d) Brnik 1,11 2,17 3,17 3,96 5,26 5,73 5,80 5,06 3,53 2,16 1,12 0,76 3,32 1212 Celje 1,17 2,19 3,16 4,05 5,48 5,91 5,75 5,07 3,61 2,26 1,23 0,84 3,39 1237 Kredarica 1,66 2,67 3,81 4,66 5,00 5,19 4,85 4,21 3,63 2,65 1,56 1,33 3,44 1256 Ljubljana 0,99 2,01 3,16 4,03 5,36 5,87 5,94 5,12 3,54 2,04 1,02 0,74 3,32 1212 Maribor 1,11 2,19 3,08 4,11 5,44 5,90 5,69 5,03 3,54 2,25 1,22 0,84 3,37 1230 Murska sobota 1,08 2,25 3,09 4,20 5,63 6,02 5,74 5,14 3,54 2,28 1,22 0,84 3,42 1248 Portorož 1,29 2,24 3,57 4,51 5,84 6,64 6,69 5,71 4,08 2,62 1,38 1,02 3,80 1387 Postojna 1,24 2,15 3,26 3,98 5,16 5,66 5,83 5,18 3,63 2,31 1,27 0,91 3,38 1234 Rateče 1,18 2,27 3,36 4,00 5,02 5,54 5,49 4,82 3,69 2,30 1,21 0,81 3,31 1208 Rogla 1,35 2,34 3,18 4,12 5,04 5,44 5,27 4,76 3,56 2,30 1,33 1,00 3,31 1208 Tabela 3: Dnevni in letni poprečni globalni obsev na vodoravno ploskev v obdobju 1997 2003 Kot obsevanja sonca na absorbcijsko površino je odločilen za količino energije, pridobljene s sončnim kolektorjem. Teoretično optimalen je kot 90. Tabela 3 prikazuje odvisnost količine pridobljene energije v % od odvisnosti od kota nagiba kolektorja glede na vodoravno ploskev (kot elevacije) in orientacije kolektorja (kot azimuta) odklon ploskve od južne smeri: Azimut Elevacija 0 30 45 60 90 jug = 0 95 105 102 92 70 jugozahod = +45 95 98 95 88 70 zahod = +90 95 90 88 82 65 jugovzhod = -45 95 98 95 88 70 vzhod = -90 95 90 88 82 65 Tabela 4: Odvisnost količine pridobljene energije v % od odvisnosti od kota nagiba Drug način predstavitve pridobljene energije sončnega sevanja prikazuje naslednji diagram, ki prikazuje procentualni delež pridobljene energije ob kontinuirani porazdelitvi globalnega sevanja v absorbcijski ravnini glede na naklonski kot kolektorja in azimut. Delovanje solarnih naprav: https://www.youtube.com/watch?v=vfy0ewppvhw https://www.youtube.com/watch?v=nsczd1mzppo 4
Slika 3: Procentualni delež pridobljene energije ob kontinuirani porazdelitvi globalnega sevanja Največjo količino sončne energije zberemo takrat, kadar sončni žarki padajo pravokotno na absobcijsko površino. V Sloveniji velja kot idealen naklon naklon med 35 in 45, ki je nekakšen kompromis med najustreznejšim naklonom poleti (30 ) in najustreznejšim naklonom pozimi (60 ). Glede na to, da kolektorje uporabljamo predvsem pozimi, jih je pametno postaviti tako, da dajo svoj maksimum ravno takrat. Pri solarni termiji je smiseln odklon od optimalnega kota elevacije pri pribl. 28, da bi izboljšali izkoristek naprave spomladi in jeseni. Poleti so hranilniki toplote napolnjeni večinoma že dopoldne, zato je koristno naklonski kot kolektorjev povečati na 35 45. Senčenje na solarnem kolektorju ni tako kritično (negativno) kot pri fotovoltačnih modulih. 1.3 Simboli za tehnični opis solarno termičnih naprav Vse tehnične sisteme predstavljamo za načrtovanje, opis in dokumentacijo s simboli, ki so standardizirani. Pogosto so se v strokovnem svetu uveljavili tudi simboli brez standardne osnove. Za solarno termijo veljajo simboli po DIN/ISO 1219 in taki, ki so v stroki priznani kot splošno veljavni simboli. Najpomembnejši simboli so: 5
SIMBOL POMEN SIMBOL POMEN Zaporni ventil splošno Zaporni ventil prehodna oblika Avtomatski odzračevalnik Porabnik toplote splošno Protipovratni ventil Membranska raztezna posoda Protipovratna loputa Tripotni ventil splošno Prepreka za povratni tok Obtočna črpalka Izmenjevalnik toplote splošno Vzmetno varnostni ventil v kotne izvedbe z izpustno pipico Tipalo temperature M Ventil za zniževanje tlaka levo = visok tlak Tripotni ventil z motornim pogonom Ploščati toplotni izmenjevalnik Tipalo tlaka V Merjenje količine toplote kalorimeter Tabela 5: Simboli za tehnični opis solarno termičnih naprav 1.4 Lokacija in usmerjenost stavbe Prvi pogoj za izkoriščanje sončne energije z aktivnimi sistemi je primerna lega stavbe. Stavba ne sme biti v senci drugih stavb, gozda, hribov ali podobno. Sprejemnike največkrat namestimo na streho, zato je najbolje, da je streha obrnjena proti jugu, dopustne pa so smeri od jugovzhoda do jugozahoda. V primerih, ko streha ni postavljena v primerni smeri, lahko sprejemnike vgradimo na druga mesta, ki niso preveč oddaljena od hranilnika toplote, le-ta pa ne sme biti preveč oddaljen od porabnikov. Preden se odločimo za namestitev sprejemnikov sončne energije, se moramo pozanimati na lokalni upravni enoti, katera dovoljenja potrebujemo (priglasitev del, gradbeno dovoljenje ). 6
1.5 Materiali cevne mreže Cevni razvod služi za povezovanje vseh delov solarnega toplotnega sistema v funkcionalno celoto, sestavljajo pa ga cevi in spojni ter prehodni elementi. Cevi so lahko: brezšivne bakrene po DIN 1786, jeklene navojne cevi po DIN 2440, cevi iz omreženega polietilena (PE-X). Cevi iz različnih materialov (jeklo, plastika, baker) imajo različen način označevanja premerov: Jeklene cevi oznaka DN (imenski premer), ki označuje svetli premer cevi ( luknjo ) primer DN 25 v žargonu (1) cola to je cev, na katero lahko vrežemo navoj R 1. Zunanji premer cevi je 33,7 mm, notranji pa 26,2 mm. Bakrene cevi označujemo jih z oznako Cu (zunanji premer x debelina stene), npr. Cu 28 x 1,5. Plastične in večplastne cevi označujemo jih z imenom (proizvajalca cevi) in zunanji premer x debelina stene, npr. AL 18 x 2; RAUTITAN STABIL 16 x 2,2. Polietilenske cevi (alkaten) označimo s PE (zunanji premer) PE 32. Oznaka cevnega navoja Jeklene cevi Baker ALUMPLAST 3/8" DN 10 Cu 12 x 1 AL 14 x 2 1/2" DN 15 Cu 18 x 1 AL 18 x 2 3/4" DN 20 Cu 22 x 1 AL 25 x 2,5 1" DN 25 Cu 28 x 1,5 AL 32 x 3 5/4" DN 32 Cu 35 x 1,5 AL 40 X 4 6/4" DN 40 Cu 42 x1,5 AL 50 x 4,5 2 " DN 50 Cu 54 x 2 AL 63 x 6 Tabela 6: Označevanje cevi iz različnih materialov 1.6 Spajanje cevi Bakrene cevi spajamo z uporabo fitingov s spajkanjem (lotanjem). Lotni spoji spadajo med nerazstavljive spoje. Poznamo: mehko lotanje, trdo lotanje, visokotemperaturno lotanje. Načini lotanja se razlikujejo med sabo predvsem po temperaturi tališča spajke. 7
Mehki loti Tališče lota je pod 450 C. Primerni so za tesnenje spajanih delov ter za manjše obremenitve in nižje obratovalne temperature (do 60 C). To so loti iz zlitine kositra (Sn), antimona (An) in svinca (Pb). Talila so cinkov klorid (ZnCl2 s prosto solno kislino HCl), salmiak (NH4Cl) in kolofonija. Trdi loti Tališče lota je nad 450 C. Primerni so za večje obremenitve in višje obratovalne temperature. To so bakrovi loti iz zlitine bakra (Cu), kositra (Sn), cinka (Zn) ter fosforja (P) ter srebrovi loti iz zlitine srebra (Ag), kadmija (Cd) in kositra (Sn) z dodatki niklja (Ni). Talila temeljijo na borovih spojinah (npr. boraks Na2B4O7.10H2O) z dodatki fluoridov, fosfatov, silikatov itd. Spoji pri trdem spajkanju zdržijo večje obremenitve kot pri mehkem spajkanju in jih lahko uporabimo tudi za spajanje železa in jekla. Kot vir toplote je za spajkanje primeren kakovosten plinski gorilnik, ki odvisno od uporabljene vrste plina doseže temperaturo do 850 C, ali pa hobi plamenski varilnik. 1.7 Elementi za izvedbo lotnih spojev Spajke loti Spajke dobimo v različnih oblikah in dimenzijah, odvisno od želje uporabnika. Najpogostejše oblike spajk so žice, šibke, trakovi, prah, paste, obročki, kolobarji. Slika 4: Spajke Cevi Bakrene cevi so izdelane iz minimalno 99,9 % čistega bakra. Z notranje strani so običajno dodatno zaščitene proti luknjičasti koroziji. Proizvajajo se v palicah ali kolutih mehke, poltrde in trde izvedbe. Cevi so namenjene za uporabo v različnih hišnih inštalacijah, izvedba inštalacij je hitra in enostavna. Zaradi velikih temperaturnih razlik do 200 K, ki lahko nastopijo v kolektorskem krogu, moramo pri pritrditvi cevi upoštevati tudi temperaturno razteznost bakrenih cevi. Pri pritrditvi vstavimo kompenzatorje ali U- -zanke, da bi pri bakrenih ceveh nadomestili relativno veliko dolžinsko razteznost pribl. 0,16 %/100 K. Slika 5: Bakrene cevi 8
Fitingi Bakreni fitingi služijo za povezavo bakrenih cevi v različne sisteme. Fitingi so različnih oblik in dimenzij. Spajamo jih z lotanjem oz. s spajkanjem, za ogrevalne in vodovodne sisteme je še posebej primerno mehko lotanje z ustreznimi materiali. Slika 6: Fitingi 1.8 Postopek spajkanja Spajkalno površino dobro očistimo, na mesto spoja nanesemo tanek sloj talila, nato material segrejemo do delovne temperature, ko prične talilo delovati, in šele nato dodamo spajko. Ko se material ohladi, odstranimo ostanke talila, saj s tem preprečimo morebitno korozijo na spajkanem mestu. Posebnosti pri izvedbi cevnih spojev pri solarni tehniki Standardna zveza pri bakrenih ceveh v solarnem krogu je trdo lotanje ali tehnika stiskanja, ker bi se lahko pri mehkem lotanju v primeru stagnacije cevni spoji razrahljali. Pri spojih z zatiskanjem morajo biti tesnilni obroči odporni na glikol in primerni za visoke temperature. Ker se lahko pri trdem lotanju v ceveh material odlušči, moramo cevne inštalacije pred zagonom splakniti. Pri razstavljivih spojih so se kovinsko tesnilni vijačni spoji dobro obnesli. Prikaz spajanja: https://www.youtube.com/watch?v=rwkdmkkkhqo https://www.youtube.com/watch?v=ac9iiskfzd0 1.9 Toplotna izolacija cevovodov Cevi morajo biti toplotno izolirane. Materiali za toplotno izolacijo, ki jih najpogosteje uporabljamo, so: 9
mineralna (kamena) volna obstojnost do temperature 130 C, poliuretanska pena obstojnost do temperature 130 C, predizdelana cevna izolacija iz polimernega materiala (elastomera) z zaprto celično strukturo obstojnost do temperature 105 C, polietilenska pena obstojnost do temperature 110 C. Pri izbiri materiala za toplotno izolacijo cevovodov je potrebno nameniti posebno pozornost najvišjim temperaturam solarnega medija. Poleg tega mora biti toplotna izolacija cevnega razvoda na področju izven zgradbe (na odprtem prostoru) odporna na vremenske vplive in UV- -sevanje ter zaščitena pred delovanjem ptic in glodalcev. Pri dimenzioniranju in polaganju cevovodov solarnega sistema moramo upoštevati tudi temperaturno raztezanje materialov cevi. Pri bakrenih ceveh je linearni temperaturni raztezek α = 1,6.10-2 K -1. 1.10 Medij za prenos toplote Medij za prenos toplote prenaša toploto iz sprejemnika sončne energije (SSE), ki ga imenujemo tudi sončni kolektor, do toplotnega prenosnika, ki je običajno v ogrevalniku sanitarne tople vode bojlerju. Medij mora imeti naslednje lastnosti: velika specifična toplota, majhna viskoznost, visoko vrelišče višje od najvišje pričakovane temperature v sistemu oziroma več kot 120 C, nizko ledišče nižje od 20 C, nekorozivnost za materiale cevnega razvoda, nevnetljivost, medij ne sme biti strupen, biološka razgradljivost. Tem zahtevam običajno ustrezajo zmesi vode in glikola. Vodi lahko dodajamo etilen glikol ali propilen glikol v različnih razmerjih. Pri tem tej zmesi pogosto dodajamo razne dodatke, ki zagotavljajo zaščito pred korozijo. Na trgu pa že dobimo ustrezno pripravljene zmesi glikola in dodatkov, ki se pred polnjenjem cevnega razvoda mešajo z vodo v ustreznem razmerju. Slika 7: Solarni medij Solarni medij Delež glikola [%] voda 0 zmes etilenglikola (Tyfocora) in vode 40 55 Referenčna temperatura [ C] Ledišče [ C] Vrelišče pri 3,5 bar [ C] Gostota [kg/m 3 ] Specifična toplotna kapaciteta [J/kgK] Viskoznost pri 20 C [mm 2 /s] 20 0,998 4180 1,0 0 138 50 0,988 4180 0,55 20 1,029 3600 3,4-25 142 50 1,015 3700 1,55 20 1,078 3320 5,4-45 150 50 1,06 3450 2,2 10
zmes propilenglikola (Tyfocora L) in vode 40 20 1,037 3680 4,2-21 142 50 1,019 3800 1,7 60 20 1,053 3280 9,0-48 147 50 1,032 3400 3,1 Tabela 7: Osnovne lastnosti najpogosteje uporabljenih zmesi vode in glikola Temperaturo ledišča lahko izmerimo z refraktometrom. Slika 8: Refraktometer 1.11 Ekspanzijske posode Membranska ekspanzijska posoda v solarnih sistemih služi za prevzemanje prostorninskih raztezanj solarnega medija pri spremembah temperature. Poleg prevzemanja prostorninskih raztezkov medija pri normalnih pogojih delovanja lahko prevzame tudi del medija, ki bi v primeru prekoračenja najvišje dopustne temperature v sistemu in nastajanja pare bil iztisnjen in izpuščen skozi varnostni ventil. 1 Sistem je hlajen. 2 Sistem deluje. 3 Sistem pri maksimalni delovni temperaturi Slika 9: Delovanje ekspanzijske posode 11
2. OSNOVNE FUNKCIJE SONČNIH KOLEKTORJEV Sprejemnike sončne energije SSE (ali po domače sončne kolektorje) lahko vgrajujemo v sklopu manjših inštalacijskih enot ali kot del večjih ogrevalnih sistemov. Sončni kolektorji se primarno uporabljajo za pripravo sanitarne tople vode (STV), lahko pa jih uporabljamo tudi za podporo sistema ogrevanja. Zaradi dejstva, da se jakost sončnega sevanja v času enega dneva in leta bistveno spreminja, jih razvrstimo med bivalentne sisteme, kar pomeni, da ne morejo v celoti zadostiti vseh potreb po sanitarni topli vodi, še manj pa lahko služijo kot samostojen vir za ogrevanje objektov. 2.1 Sončni kolektor kot zbiralnik sončne energije Sončna energija se absorbira v absorberju kolektorja. Absorber pretvori sevano sončno energijo v toplotno energijo, ki se preko nosilca toplote (zmes vode in sredstva proti zmrzovanju) v zaprtem sistemu cevi s pomočjo obtočne črpalke prenese k prenosniku toplote, ki tako pridobljeno toploto odda hranilniku toplote. SSE mora biti izveden tako, da omogoča čim boljše zbiranje sončnega sevanja in pretvorbo sevalne energije v toplotno. Hkrati je njegova naloga, da na najboljši možni način izvede prenos toplote na solarni medij. 2.2 Sestavni deli sprejemnikov sončne energije SSE Osnovni sestavni deli SSE so: absorber, ohišje, pokrov, priključki na cevni razvod. Najpogostejši izvedbi SSE sta: ploščati kolektor, kjer ločimo o izvedbe s serpentinastimi absorberji in o absorber s cevnim registrom, Slika 10: Serpetinasti absorber Slika 11: Absorber s cevnim registrom 12
SSE z vakuumskimi cevmi vakuumski kolektor. Odločitev za izbor izvedbe je pogojena predvsem s temperaturo vode, ki jo želimo dobiti na izhodu iz solarnega sistema. (Tabela 8) Izvedba Samostoječi absorberji (SSE brez ohišja in pokrova) Ploščati SSE z absorbejem, premazanim s selektivnim premazom z absorberjem s selektivnim premazom Temperatura solarnega medija (delovna temperatura solarnega sistema) [ C] Temperatura mirovanja [ C] 0 30 70 90 SSE z vakuumskimi cevmi 20 100 150 300 Koncentrirajoči SSE 80 100 2.2.1 Ploščati kolektor Namen ogrevanje bazenske vode toplotne črpalke Možnost proizvodnje toplotne energije [kwh/(m 2 a) 200 300 20 75 120 140 360 680 priprava STV ogrevanje 20 85 140 240 400 800 > 1000 (odvisno od koncentracije) Tabela 8: Možnosti uporabe posameznih izvedb SSE priprava STV ogrevanje proizvodnja procesne toplote ogrevanje proizvodnja procesne toplote proizvodnja pare 400 890 odvisno od koncentracije in deleža direktnega sončnega obsevanje Absorber Je del SSE, ki omogoča pretvorbo sevalne sončne energije v toplotno energijo in njen prenos na solarni medij. Za izdelavo absorberjev se uporabljajo kovinski materiali, ki dobro prevajajo toploto baker, aluminij, redkeje jeklo in nerjaveče jeklo. Na zgornjo (stekleno) površino absorberja so nanešeni posebni premazi oz. absorbcijski nanosi. Lastnosti absorberja določa izkoristek delovanja (eta) ήsse, na katerega vplivajo naslednji dejavniki: obstojnost na visoke temperature do vrednosti temperature stagnacije, odpornost proti koroziji, dobra toplotna prevodnost za čim boljši prenos sončne energije na solarni medij (mešanico vode in glikola), čim manjši volumen prenosnega medija v absorberju (0,4 0, 6 l/m 2 absorberja) za čim hitrejši odziv na spremembo jakosti sončnega sevanja, selektivnost pokrivnega nanosa, ki naj zagotavlja čim večjo absorbcijo, majhno emisijo in čim manjše toplotne izgube pri IR-sevanju. 13
Pogosto uporabljeni pojmi v solarni termiji so: Cu Koeficient absorbcije predstavlja delež sevanja v %, ki ga absorber sprejme glede na skupno (globalno) sončno sevanje. S posebno prevleko materialov lahko absorbcijo povečamo. Premaz s črnim lakom = 0,95 = 0,85 Selektivna prevleka = 0,95 = 0,05 Plast črnega kroma = 0,95 = 0,15 Koeficient emisije telo se zaradi sončnega sevanja segreva, koeficient emisije pa predstavlja delež toplotne energije, izražen v %, ki ga zaradi emisije telo odda v okolico izgube. Na koeficienta absorbcije in emisije vplivajo premazi, s katerimi je prevlečena steklena površina SSE. Slika 11: Koeficient absorbcije in emisije Aperturna površina predstavlja površino vstopa svetlobe v kolektor. Absorbcijska površina je enaka površini absorberja v kolektorju. Bruto površina je površina, ki jo tvorijo zunanje mere kolektorja. aperturna pov. absorb. površ. bruto površina Slika 12: Bruto površina kolektorja Rav. steklo ststeklos Antirefl. st. Slika 13: Delež sevanja Ohišje Ohišje je del SSE, ki služi za zaščito absorberja in ostalih delov pred vplivi iz okolice mehanske poškodbe, padavine, korozija Hkrati služi tudi za toplotno izolacijo in preprečevanje toplotnih izgub. Ohišje ploščatih SSE je zgrajeno iz pravokotnega okvirja, v katerega je vstavljen absorber z zbirnimi in razdelilnimi cevmi. Sprednjo (zgornjo) ploskev predstavlja steklena površina, ki je 14
prevlečena s selektivnim prekrivnim premazom. Stranske stene in dno ohišja so obloženi s toplotno izolacijo običajno steklena ali kamena volna ter spodnja plast iz poliuretanske pene. Običajno je notranjost ohišja prevlečena z aluminijasto folijo, ki preprečuje toplotne izgube zaradi sevanja emisije. Slika 14: Poenostavljena shema ohišja ploščatega SSE Posebno pozornost je potrebno posvetiti tesnjenju stika med kovinskim okvirjem in stekleno površino. Tesnila morajo biti odporna na visoke temperature, ki se pojavljajo na soncu izpostavljeni površini, hkrati pa morajo biti odporna na UV-sevanje, ki pospešuje staranje elastičnega materiala. Običajno so uporabljena tesnila iz umetnega kavčuka ali iz elastične silikonske gume. Slika 15: Osnovni deli ohišja ploščatega SSE v prerezu Pokrov Pokrov je del SSE, ki omogoča prehod sončnega sevanja do absorberja in istočasno varuje notranjost ohišja pred različnimi vplivi iz okolice ter zmanjšuje toplotne izgube. Kakovost pokrova je določena s koeficientom transmisije. Pogoji, ki jih mora izpolnjevati kvaliteten pokrov SSE, so: 15
velik transmisijski koeficient za sončno sevanje, majhen koeficient toplotne prevodnosti manjše toplotne izgube, obstojnost na UV-sevanje, majhna masa, odpornost na zunanje vplive vremenski pogoji, mehanske poškodbe, obstojnost na visoke temperature. Tem zahtevam ustreza kaljeno steklo, ki ima povečano trdnost in je prednapeto zato, da v primeru loma razpade na drobne delce in ne na ostre kose. 2.2.2 Vakuumski kolektorji Princip delovanja Heatpipe sistem sistem vroče cevi: v vakuumskem cevnem absorberju sončna energija v cevi upari kapljevino (metanol, freon itd). Para potuje navzgor po toplotni cevi in se v kondenzatorju ukapljevini ter nato teče po površini toplotne cevi nazaj v spodnjo točko toplega dela toplotne cevi. Para v kondenzatorju odda toplotno energijo solarnemu mediju (zmesi vode in glikola), ki ga vodimo do toplotnega izmenjevalnika v bojlerju za pripravo STV. Tako lahko tekoči medij spet teče navzdol po toplotni cevi, pri čemer ga solarni absorber ponovno segreje in upari. Vakuumske cevi lahko posamično staknemo s kondenzatorsko glavo v zbirni kanal kolektorskega kroga. Tako ostane kolektorski krog napolnjen in pod delovnim tlakom (suhi spoj). Heatpipe sistem deluje na principu dovoda in odvoda latentne toplote toplote, ki jo dovajamo in odvajamo med spremembo agregatnega stanja (kapljevina para). Slika 17: Sestava kolektorja Slika 16: Vakuumski kolektor 16
2.3 Hranilniki (zalogovniki) toplote Hranilniki toplote (bojlerji) se vgrajujejo v sistem zaradi zagotovitve potrebe po topli vodi preko noči in kadar sončno sevanje ni zadostno. Obstajajo številne različice hranilnikov toplote (hranilniki toplote za zagotavljanje sveže pitne vode, hranilniki, ki se vgrajujejo v manjše sisteme, pa do velikih kaskadnih sistemov). Za gospodinjstva se uporabljajo do 150-litrski stenski hranilniki toplote ali od 300- do 700-litrski stoječi hranilniki. Kombinirani hranilniki se uporabljajo, kadar moramo poleg potreb po topli sanitarni vodi zagotoviti podporo ogrevalnemu sistemu. Osnovni zahtevi, ki jim mora ustrezati kvaliteten hranilnik toplote, sta: omogočanje temperaturnega razslojevanja (stratifikacija) oziroma doseganje različne temperature slojev vode po višini hranilnika, čim manjše toplotne izgube. Stoječi hranilniki STV so izdelani večinoma iz jekla z dodatno notranjo stensko zaščito iz emajla ali pa so v celoti izdelani iz nerjavnega jekla. Delovni tlak je običajno 6 bar. Klasičen hranilnik toplote je sestavljen iz naslednjih komponent: antikorozijska palica anodna zaščita ščiti hranilnik toplote pred korozijo, ki lahko povzroča razpoke v plasti emajla; vgrajeni toplotni izmenjevalniki so večinoma emajlirani gladkocevni toplotni izmenjevalniki z odpornostjo na kalcinacijo; v steni hranilnika toplote so navarjeni tulci za vgraditev temperaturnih senzorjev ter nadzorna odprtina za dekalcinacijo in servisiranje; po potrebi lahko vgradimo priključek za cirkulacijo; načeloma je v tem primeru potrebno vgraditi tudi sistem za regulacijo cirkulacije glede na potrebe. 17
Toplotna izolacija večinoma iz PU-trde pene Predtok - dogrevanje Mg antikorozijska Posoda za vodo iz jekla, emajlirana ali iz nerjavnega jekla Priključek tople vode Potopni tulec tipalo zg. Povratek dogrevanje Priključek za cirkulacijo Solarni krog predtok Potopni tulec tipalo Nadzorna odprtina Solarni krog Priključek hladne vode Slika 18: Osnovni deli hranilnika tople vode Najpomembnejši podatek, ki ga potrebujemo za ustrezno izbiro hranilnika STV, je njegova potrebna prostornina. Potrebna prostornina je odvisna od dnevnih potreb po količini STV, dinamike porabe STV - porabniškega profila in najvišje dopustne temperature. Namen Potrebe po toplotni energiji [kwh/d] Trajanje hranjenja tople vode [d] Temperaturni nivo [ C] Priprava STV 2 3 po osebi 2 3 45 60 Nizkotemperaturni sistemi ogrevanja 0,5 1 na m 2 stanovanjske ploskve Tabela 9: Smernice za dimenzioniranje solarnih hranilnikov 2 20 30 60 V enodružinskih in večdružinskih zgradbah je potreba po topli vodi odvisna od individualnih navad. Poprečne vrednosti so danes 40 litrov na dan na osebo pri temperaturi 45 C ali 30 litrov pri 60 C. Po VDI 6002 je v večdružinski hiši navedena potreba 22 l/osebo pri 60 C. To ustreza dnevni potrebi po energiji pribl. 2 kwh. Vrednosti pa lahko variirajo med 0,6 in 5 kwh na osebo 18
na dan. Pri načrtovanju je zato potrebno ugotoviti individualno potrebo. Obnašanja posameznika pogosto pri načrtovanju ne upoštevamo, kar lahko povzroči kasnejše reklamacije. Namen STV ali zgradbe Specifične potrebe po STV, L/d Izražanje za ϑstv,pi = 45 C za ϑstv,pi = 55 C porabe Osebne higienske Umivanje rok 3 2 Po osebi potrebe Prhanje 35 27 Po osebi Kopanje v kadi 120 93 Po osebi Vzdrževanje higiene v gospodinjstvu Poprečna poraba štiričlanske družine v gospodinjstvu Umivanje las 9 7 Po osebi Čiščenje 3 2 Po osebi Kuhanje 2 2 Po osebi Pranje posode 10 8 Po osebi Pranje perila v pralnem stroju - 30 - Pomivanje posode v pomivalnem stroju - 15 - Majhna poraba 25 35 19 27 Po osebi Srednja poraba 35 65 27 50 Po osebi Velika poraba 65 120 50 92 Po osebi Javne zgradbe Domovi starostnikov 55 75 42 58 Po osebi Bolnišnice 50 65 38 50 Po postelji Otroški vrtci 40 60 31 46 Po osebi Gostinski in turistični objekti Študentski domovi 40 31 Po osebi Šole 1 3 1 3 Po osebi Hoteli s sobami s kadjo in kabino za prhanje Hoteli s sobami s kadjo Hoteli s sobami s kabino za prhanje 170 260 131 200 Po osebi 85 170 65 131 Po osebi 30 70 54 100 Po osebi Ostali hoteli 35 60 27 46 Po osebi Hostli, penzioni domovi, Tabela 10: Smernice za določanje specifičnih potreb po STV 35 70 27 54 Po osebi Hranilnik toplote je lahko na solarni sistem oz. SSE vezan na dva osnovna načina: z vgrajenim prenosnikom toplote, z zunanjim prenosnikom toplote. 19
topla voda SSE hranilnik obtočna črpalka dovod hladne vode solarni krog krog STV Slika 19: Hranilnik z vgrajenim prenosnikom toplote topla voda SSE hranilnik prenosnik toplote obtočna črpalka obtočna črpalka dovod hladne vode solarni krog sekundarni krog STV krog STV Slika 20: Hranilnik z zunanjim prenosnikom toplote 20
Glede na možnosti ogrevanja STV so lahko hranilniki toplote: monovalentni kjer je edini vir energije za segrevanje sanitarne vode sončna energija redko, bivalentni kjer za pripravo STV poleg sončne energije uporabljamo še drug vir toplote običajno toplovodni kotel ali električno energijo. Tovrstni hranilniki toplote so izvedeni z dvema prenosnikoma toplote v spodnjem delu je nameščen prenosnik toplote, ki je vezan na SSE, v zgornjem delu pa je vgrajen prenosnik toplote, ki ga s toploto oskrbuje toplovodni kotel. Temperaturno razslojevanje vode stratifikacija Stratifikacija nastane zaradi razlike v gostoti tople in hladne vode. Hladna voda se nahaja v spodnjem delu, topla voda pa na zgornjem delu hranilnika toplote. Na ta način je zagotovljen boljši prenos toplote, saj ogreti medij iz solarnega kroga najprej pride v stik s hladnejšo vodo v zalogovniku, hkrati pa nam temperaturno razslojevanje omogoča odvzem vode iz hranilnika s točno določeno in stalno temperaturo, ki je odvisna od višine sloja oziroma mesta odjema. Če bi se voda v hranilniku ves čas mešala, bi bila temperatura odvzete vode vedno nižja, ker bi bila vedno ogreta na srednjo vrednost, posledično pa bi ogrevanje na željeno temperaturo trajalo bistveno dlje. Če voda v hranilniku dalj časa miruje, je na dnu najnižja temperature vode, na sredini je lahko višja za 20 30 C in na vrhu najvišja. Temperaturno razslojevanje vode pospeši visoka oblika hranilnika (d>>l). Toplotne izgube hranilnika toplote Toplotna izolacija je poleg temperaturne slojevitosti druga pomembna lastnost, ki ji mora ustrezati kvaliteten hranilnik toplote, ker je od nje odvisna celotna energetska učinkovitost solarnega sistema. Toplotno je potrebno izolirati celo posodo in priključke, preprečiti pa je potrebno tudi toplotne mostove. Pozorni moramo biti, da se plast topotne izolacije popolnoma prilega zunanji površini hranilnika, da bi preprečili t.i. učinek dimnika oziroma gibanje in izgubljanje ogretega sloja zraka med izolacijo in stenami. Na to moramo biti še posebej pozorni v primerih večjih zalogovnikov toplote, kjer se toplotna izolacija vgrajuje na zalogovnik šele na mestu montaže. Koeficient toplotne prevodnosti materiala za toplotno izolacijo zalogovnikov toplote mora biti največ 0,04 W/(mK), zato se najpogosteje uporabljajo naslednji materiali: mehka poliuretanska pena s kaširano polimerno folijo debeline 100 150 mm, trda poliuretanska pena debeline 60 90 mm, mineralna volna. Kljub dobri toplotni izolaciji izgubi hranilnik toplote preko svoje površine in cevnih priključkov nekaj kwh energije na dan. Zato naj bo površina hranilnikov čim manjša in cevni priključki tako izvedeni, da bodo toplotne izgube majhne. 21
Toplotne izgube v mirovanju so navedene v podatkovnih listih v kwh/d in predstavljajo toplotne izgube v času 24 ur. V hranilniku toplote nastane od 70 do 80 % skupnih toplotnih izgub solarnega sistema. Pri 300-litrskem hranilniku je to več kot 4 kwh na dan. Če s strokovnimi rešitvami privarčujemo 2 kwh na dan, je to do približno 700 kwh na leto. Toliko energije pridobimo približno na leto na 1 m² SSE. Specifične toplotne izgube solarnega hladilnika [W/K] Kakovost hranilnika < 1,7 zelo dobra 1,7 2,5 dobra 2,5 3,0 zadovoljiva > 3,0 slaba Tabela 11: Ocena kakovosti hranilnika na osnovi specifičnih toplotnih izgub Uporaba večjega števila majhnih hranilnikov namesto enega večjega ni priporočljiva, ker se poveča površina hranilnika glede na njegov volumen. Razmerje med površino in prostornino hranilnika (A/V) naj bo čim manjše. Zaradi problemov s transportom in z velikostjo so na tržišču večinoma le do 1000-litrski hranilniki. Zaradi neprimerno izvedenih cevnih priključkov lahko nastanejo konvekcijske izgube. Izogibati se moramo cevnim priključkom, postavljenim vertikalno, ker lahko nastopi enocevna cirkulacija. V sredini cevi se topla voda dviga in teče zaradi ohlajanja na steni cevi spet navzdol. Takšne konvekcijske izgube zaradi napačno izvedenih cevnih priključkov povzročajo izgube shranjene energije, ki lahko znašajo do 30 % na dan. Zato naj bodo na hranilnikih priključki cevi izvedeni čim nižje. Priporočamo, da so stranski priključki v obliki sifonskih lokov, da tudi tu omejimo konvekcijske izgube. S konvekcijskimi zavorami preprečimo enocevno cirkulacijo (Wagner CONVECTROL III) in zmanjšamo toplotne izgube do 20 %. 2.4 Obtočne črpalke Naloga obtočne črpalke je potiskanje potrebnega volumskega toka mešanice vode in glikola (pribl. 40 l/m² kolektorske površine) po solarnem krogu in pri tem premagati celotni tlačni padec. Pred črpalko in za njo vgradimo zaporni ventil, da lahko črpalko demontiramo in zamenjamo brez praznjenja sistema. Vsaka črpalka ima svojo značilnico karakteristiko, ki prikazuje odvisnost pretoka od tlačnih izgub (tlačnega padca) pri konstantni vrtilni hitrosti. Obtočne črpalke morajo zaradi cirkulacije mešanice vode in glikola po zaključenem krogu premagovati samo tlačne izgube, ki so posledice trenja vode v razvodu in ne višinske razlike. Obtočne črpalke izbiramo na podlagi dveh parametrov, in sicer potrebnega pretoka in zmožnosti premagovanja tlačnega padca. 22
Slika 21: Karakteristika obtočne črpalke Iz karakteristike črpalke je razvidna odvisnost med dobavno višino (tlačnim padcem) in pretokom. Črpalka ne more nikdar obratovati sama brez razvodnega omrežja, zato jo je vedno potrebno obravnavati kot del sistema. Tlačni padec se veča s kvadratom pretoka povečanjem hitrosti toka v cevi. Slika 22: Karakteristika cevovoda Karakteristika cevovoda (vidimo, da izgube naraščajo s kvadratom pretoka) pokaže, da poleg hitrosti toka in dolžine cevovoda na tlačne izgube vplivajo tudi koeficienti lokalnih tlačnih izgub (sprejemniki sončne energije, toplotni izmenjevalci, ventili, odcepi...). Obratovalna točka je točka, kjer se sekata karakteristika črpalke in karakteristika cevovoda. Iz 23
tega sledi, da lahko tudi s spreminjanjem karakteristike cevovoda spreminjamo pretok in dobavno višino. Mesto obratovalne točke se lahko spreminja, zato se mora temu prilagajati tudi obtočna črpalka. Prilagajanja obratovanja običajne (tristopenjske) črpalke ne zmorejo, zato vgrajujemo frekvenčno krmiljene črpalke, ki običajno delujejo po sistemu konstantnega ali še boljše variabilnega tlaka. Slika 23: Delovanje črpalke pri konstantni vrtilni hitrosti Slika 24: Delovanje črpalke pri konstantnem tlačnem padcu vrtilna hitrost se spreminja S frekvenčno reguliranimi obtočnimi črpalkami lahko prihranimo od 60 do 70 % električne energije v primerjavi s klasičnimi nereguliranimi. Skladno z direktivo ErP 2013/15 po 1. 1. 2013 ni dovoljeno več vgrajevati črpalk z EEI-vrednostjo, večjo od 0,23, kar v praksi pomeni črpalk brez frekvenčne regulacije. Obtočne črpalke v praksi izbiramo s pomočjo programov proizvajalcev (GRUNDFOSS Webcaps in WILO). Pomembna kriterija za optimalno izbiro črpalke sta tudi poraba in strošek električne energije v 15-letnem obratovalnem obdobju (LCC stroškovna analiza življenjskega cikla). 24
3. ZGRADBA IN DELOVANJE SOLARNEGA SISTEMA Na shemi so prikazani sestavni deli solarnega sistema za pripravo STV. Odzračevalnik kolekt. kroga z zap. vent. Vent. za splakov. in polnjenje Prikaz tlaka Varnostni ventil z odzračeval. vodom Protipovratna zapora Obtočna črpalka MR Prikaz temperature Slika 25: Sestavni deli solarnega sistema V solarnem krogu teče mešanica vode in glikola skozi SSE do toplotnega prenosnika v hranilniku toplote. Sprejemniki SSE so lahko vezani zaporedno ali vzporedno. Zaporedna vezava SSE je najenostavnejša in omogoča enakomeren prostorninski tok solarnega medija skozi vse SSE, pri tem pa za cevni razvod ni posebnih zahtev. Slaba stran zaporedne vezave je povečanje tlačnega padca s povečanjem števila vezanih SSE, kar omejuje število SSE na 2 3 enote. Z vezavo treh SSE dobimo približno absorbcijsko površino 6 m 2. S takšno površino pa je že možno pokrivati potrebe po STV za poprečno 4-člansko družino. Slika 26: Zaporedna vezava 25
Vzporedna vezava je bolj zapletena, ker je treba zagotoviti enakomeren prostorninski tok skozi kolektorje tako povezanih SSE. Ta zahteva je izpolnjena, če imajo razdelilni ali zbirni vodi večji premer od priključkov posameznih SSE oziroma če so ustvarjene enako dolge poti prostorninskega toka solarnega medija po Tiechelmanovem principu. Slika 27: Vzporedna vezava SSE Volumski pretok v kolektorskem krogu Zanima nas, kolikšen je potrebni pretok medija za prenos toplote od SSE do toplotnega izmenjevalca v hranilniku toplote. Volumski tokovi v kolektorskem krogu so odvisni od tlačnih izgub v krogu, moči črpalke in želenih energijskih tokov ali temperatur predtoka s kolektorja na hranilnik. Število SSE in hitrost toka medija za prenos toplote določata tudi tlačni padec, ki se pojavlja v kolektorskem krogu. Način določitve potrebnega pretoka najlažje prikažemo na primeru. Izhodiščni podatki, ki jih potrebujemo, so naslednji: specifična moč sprejemnika sončne energije (SSE) v [W/m 2 ] 500 W/m 2, temperaturna razlika med predtokom in povratkom ΔT = 15 K, specifična toplota medija za prenos toplote (mešanice glikola in vode) c = 3800 J/(kgK). V t = P c. ΔT = 0,0088 kg s = 32 l h. m2 Na ta način smo izračunali potreben volumski pretok na enoto površine absorberja pri izbrani temperaturni razliki med predtokom in povratkom. Če potrebujemo na izhodu iz SSE višje temperature, moramo zmanjšati volumski pretok. Volumske tokove, ki znašajo 20 30 l/(m² h), označujemo kot low flow obratovanje. Pri pretoku 30 50 l/(m² h) govorimo o visokem pretoku (angl. high flow obratovanju) in pri spremenljivem volumenskem toku zaradi črpalk z variabilnim številom vrtljajev je to načinu obratovanja prilagojeni pretok (angl. matched flow). 26
Izdelovalci kolektorjev navajajo optimalne volumenske tokove za svoje izdelke, ki jih moramo pri izvedbi obvezno upoštevati. Proizvajalci v tehničnih navodilih tudi omejujejo števila med seboj serijsko (zaporedno) vezanih SSE običajno med 10 in 12 kosov. Pri premajhnih volumskih pretokih lahko pride pri absorberju s cevnim registrom do neenakomernih pretokov skozi površine absorberjev z delno tvorbo pare in z zmanjšanimi izkoristki kolektorja. Pri kolektorjih, ki so povezani s paralelno vezavo, se volumenski tokovi seštevajo. Pri zaporedni povezavi kolektorjev ostanejo volumski tokovi enaki, povečajo pa se temperaturna razlika in tlačne izgube. Za zaporedno ali paralelno vezavo kolektorjev je odločilna njihova oblika s cevnim registrom ali serpentinastim absorberjem. Pri absorberjih s cevnim registrom je tlačna izguba pribl. 10 mbar, pri izvedbah s serpentinastim absorberjem pa pribl. 200 mbar. Zato povezujemo SSE z absorberji s cevnim registrom večinoma zaporedno, SSE s serpentinastim absorberjem pa paralelno. Tlačne izgube, ki jih mora premagovati, so odvisne od vrste in števila kolektorjev, dimenzij in dolžine cevnega razvoda, tlačnih izgub v prenosniku toplote in od hitrosti toka solarnega medija skozi sistem. Hitrost toka skozi cevi naj bi bila med 0,4 in 0,7 m/s, kar istočasno zagotavlja majhne tlačne padce. Tlačne padce, ki jih mora obtočna črpalka premagovati, izračunamo z naslednjim obrazcem: p = p SSE + p r + p iz p celotne tlačne izgube [mbar] p SSE tlačni padci v sprejemnikih sončne energije [mbar] p r tlačni padci v cevnem razvodu [mbar] p iz tlačni padci v toplotnem izmenjevalcu [mbar] Podatek o vsoti tlačnih padcev je poleg potrebnega volumskega pretoka odločilen za izbiro obtočne črpalke solarnega kroga. Temperatura stagnacije To je najvišja vrednost temperature, ki jo doseže medij v cevi v primeru odvoda absorbirane toplote. Je mejna temperatura v solarnem sistemu, nad katero lahko pride do nepopravljive škode oziroma uničenja delov opreme ter razgradnje mešanice glikola in vode v sistemu. Proizvajalci v tehnični dokumentaciji navajajo najvišjo dovoljeno temperaturo, ki jo lahko dosežejo SSE. V primeru dosežene najvišje dovoljene temperature v hranilniku (max. 95 C) ali v primeru 27
okvare obtočne črpalke se pretok medija za prenos toplote zaustavi. Posledično lahko v absorberju naraste temperatura mešanice vode in glikola do temperature stagnacije. Pri temperaturi stagnacije je dovedena solarna energija v ravnotežju z odtekajočo toplotno energijo v kolektorju. Uporaba raztezne posode za varovanje kolektorskega (solarnega) kroga pred previsokim tlakom Pri prekoračitvi temperature uparjanja se lahko prične medij za prenos toplote uparjati, posledično lahko celotna vsebina kolektorja v obliki pare razširi inštalacijo predtoka in povratka. V ekstremnem primeru se lahko upari celotna mešanica vode in glikola v cevnem razvodu ter v izmenjevalniku toplote posledično naraste tlak v celotnem sistemu. Temperatura in tlak padeta šele po ponovnem zagonu sistema oziroma pri prekinitvi dovoda sončne energije sončni zahod, pooblačitev. Solarna naprava mora ekstremni primer obvladati brez poškodb in se mora samodejno znova vračati v normalno obratovanje. Varnostna predpisa po SIST EN 12975 in SISTEN 12976 predpisujeta načine zagotavljanja varnosti solarno termične naprave in način zagotavljanja dopustnega tlaka z uporabo raztezne posode ter varovanje pred previsokim tlakom z varnostnim ventilom. Določitev prostornine raztezne posode Membranska raztezna posoda je zaprta posoda, v kateri je prostor za plin (dušik) z membrano ločen od prostora s tekočino (medija za prenos toplote) in katere predtlak je odvisen od višine naprave. Pomembno: Predtlak se mora prilagoditi statični višini skladno z obrazcem: p st [bar] = 1 bar + 0,1 bar/m x statična višina [m] pri hladnem stanju Tlak polnjenja naprave mora biti za 0,3 do 0,5 bar višji od predtlaka membranske raztezne posode. Varnostna tekočinska predloga mora znašati najmanj 0,005 x prostornina tekočine v celotni napravi, vendar najmanj 3 l. Nazivno prostornino raztezne posode izračunamo z naslednjo enačbo: V N = (V V + V 2 + z. V K ). (p e + 1) p e p st V N [l] nazivni volumen raztezne posode V V [l] varnostna vodna podloga: V V = 0,005. V A minimalno 3 l V K [l] prostornina kolektorja z število kolektorjev p e [bar] dopustni končni nadtlak 28
p e [bar] = 0,9. p si p si [bar] nastavljeni tlak varnostnega ventila p st [bar] predtlak dušika v raztezni posodi (nadtlak) V A [l] količina tekočine v celotni napravi, ki jo izračunamo z upoštevanjem naslednje enačbe: V A = V cevi + V IT V cevi [l] prostornina tekočine v razvodu V IT [l] prostornina toplotnega izmenjevalca Zaradi možnosti nastajanja pare tudi v razvodu solarnega kroga je priporočljivo pomnožiti dobljeno vrednost V N s faktorjem 1,5 in nato izbrati raztezno posodo iz kataloga proizvajalcev. Varnostni ventil Varnostni ventil v solarnem sistemu služi za izpuščanje viška solarnega medija v primeru prekoračenja najvišjega dopustnega tlaka v cevnem razvodu. Izpustni tlak varnostnega ventila mora biti za najmanj 10 % večji od maksimalnega delovnega tlaka naprave. Njegov imenski premer je odvisen od aperturne površine SSE. Slika 28: Varnostni ventil Gravitacijska zavora Gravitacijska zavora v solarnem sistemu služi za preprečevanje, da bi solarni medij, ki ima višjo temperaturo od tiste v SSE, tekel v nasprotni smeri od predvidene. Do tega pojava pride ponoči zaradi odsotnosti sončnega sevanja, ko se temperatura solarne tekočine v SSE zniža na nižjo temperaturo, kot je v hranilniku toplote. Zaradi tega bi hladnejša voda iz SSE tekla skozi hranilnik toplote in ga posledično hladila. Ventil za polnjenje Ventil za polnjenje v solarnem sistemu služi za polnjenje sistema s solarnim medijem. Pri tem se hkrati nastavi delovni predtlak na 1,5 2,0 bar. Vgradi se ob ekspanzijski posodi. Odzračevalni ventili Odzračevalni ventili v solarnem sistemu služijo za izpuščanje zraka iz sistema, ki vanj zaide pri polnjenju sistema ali ob morebitni netesnosti. Običajno so nameščeni avtomatski odzračevalni ventili v najvišjih točkah sistema. Pogosto se posamezni varnostni, regulacijski in merilni instrumenti solarnega sistema skupaj z obtočno črpalko, ekspanzijsko posodo in avtomatsko regulacijo dobavijo kot en sestav (t.i. solarna postaja). Slika 29: Odzračevalni ventil 29
4. POSTAVITEV SPREJEMNIKA SONČNE ENERGIJE 4.1 Varnostni napotki Pred odločitvijo o vgradnji solarnega sistema na streho objekta oziroma na drugo primerno ploskev moramo biti posebno pozorni na: nosilnost in stanje strešne konstrukcije ploščati SSE obremenjujejo strešno konstrukcijo z maso 20 30 kg/m 2, vakuumski kolektorji pa z maso 20 25 kg/m 2, kar pomeni, da moramo v primeru negotovosti preveriti nosilnost s statičnim izračunom, izvedbo oziroma material strešne konstrukcije, možnosti za vgradnjo oziroma pritrjevanje SSE in inštalacij (cevi) na strešno konstrukcijo ter za povezovalno inštalacijo s hranilnikom toplote, način dostopa in sestopa do strehe pri gradnji in vzdrževanju, vremenske pogoje na mestu vgradnje predvsem izpostavljenost vetru in padavinam (toča, sneg). Pri postavitvi naprave na streho moramo upoštevati veljavne predpise in predpise o varstvu pri delu ter uporabljati predpisana zaščitna sredstva. Posebno pozornost moramo posvetiti preprečevanju padcev izvajalcev in orodja s streh. Prav tako moramo biti pozorni na nevarnosti, ki jih lahko povzroči bližina električnih vodnikov pod napetostjo. 4.2 Osnovni načini postavitve SSE Kolektorji morajo biti montirani tako, da dosegamo skozi celo leto optimalen doprinos energije. Jeseni in spomladi je potrebno kot postavitve optimirati bolj kot poleti, ko znaša od 40 50 (rdeča krivulja). Velikih doprinosov toplotne energije solarnih sistemov poleti ne potrebujemo, saj je takrat sončno sevanje najmočnejše. Slika 30: Doprinos kolektorja glede na naklonski kot 30
4.2.1 Postavitev na poševno streho To je najbolj pogost način izvedbe ploščatih in SSE z vakuumskimi cevmi. Za pritrditev na strešno konstrukcijo se uporabljajo posebni pritrdilni elementi iz aluminija, nerjavečega jekla ali pocinkanega jekla (montažne kljuke, pritrdilne konzole, okvirji ), ki so vključeni v paket dobave SSE. Za napeljavo povezovalnih inštalacij (cevi predtoka in povratka, regulacijski vodi ) pa je priporočljivo uporabljati že predizdelane cevne elemente. Po pritrditvi SSE in izdelavi inštalacij je potrebno cevni razvod toplotno izolirati in zaščititi pred vremenskimi vplivi, kar velja tudi za regulacijske vode povezavo tipal s krmilno regulacijsko enoto. Potrebni odmiki od strešne ploskve, slemena strehe in drugih SSE v polju morajo biti skladni s tehničnimi navodili proizvajalca opreme. Razdalja med strešno ploskvijo in dnom ohišja SSE znaša običajno med 5 in 15 cm. Slika 31: Postavitev SSE na poševno streho 4.2.2 Postavitev v poševno streho Postavitev v poševno streho ima dve bistveni prednosti v primerjavi s postavitvijo na poševno streho: bolj estetski izgled strehe, zmanjšanje toplotnih izgub skozi ohišje SSE. Takšna izvedba je možna s ploščatimi in vakuumskimi SSE. Omejitev pa je kot nagiba strehe, ki ne sme biti manjši od 25, zato je ta način uporaben predvsem pri novogradnjah ali obnovah strešnih konstrukcij. Za vgradnjo SSE v streho se posebni nosilni in pritrdilni elementi dobavijo skupaj s SSE in so točno prilagojeni za določeno strešno kritino. 31
Slika 32: Postavitev SSE v poševno streho 4.2.3 Postavitev na ravno streho ali ravno površino Pri večjih objektih, ki imajo ravno streho, je ta način postavitve precej pogost. Praviloma se v tem primeru SSE postavijo na posebne nosilce, da dosežemo potreben nagib. Nosilec se na strešno konstrukcijo sidra s pomočjo posebnih sider. Mesto vgradnje sider in prehoda inštalacij je potrebno po izvedbi ustrezno izolirati pred vlago. Kadar ustreznega sidranja ni mogoče izvesti, je treba nosilce SSE ustrezno dodatno obremeniti z utežmi (mase 75 kg za stavbe z višino do 8 m oziroma mase 127 kg za stavbe z višino do 20 m). Seveda je potrebno ustrezno preveriti nosilnost strehe oz. njeno statiko. Pri izvedbi več polj SSE (v več vrstah) je na ravnih ploskvah potrebno paziti na najmanjšo potrebno razdaljo (razmak) med vrstami, da preprečimo medsebojno zasenčevanje. Minimalni potrebni razmak med vrstami SSE izračunamo z naslednjo enačbo: sinβ a RSSE = l SSE. tanα s a RSSE [m] medsebojni razmak vrst polj SSE na ravni ploskvi l SSE [m] dolžina SSE β [ ] nagib SSE glede na vodoravno ploskev α s [ ] višina sonca (tabela 2.2) Pri največkrat uporabljenih kotih 16 za in 45 za dobimo enostavno formulo: 32
a RSSE = 3,2. l Slika 33: Določevanje medsebojnega razmika vrst v polju SSE na ravni ploskvi Mesto postavitve Način postavitve Izvedbe SSE Ploščati S toplotnimi cevmi (načelo»heatpipe«) Z vakuumskimi cevmi Z U-cevmi (načelo»sydney«) Poševna streha Na streho DA DA DA Ravna streha V streho DA NE NE Na strešno ploskev NE NE NE Na nosilec DA DA DA Fasada Na zid DA DA DA Ravna ploskev Na nosilec DA DA DA Tabela 12: Osnovni načini za postavitev SSE Orientacija in nagib SSE Največji delež sončne energije izkoristijo SSE, ki so orientirani proti jugu. Praktično pa tovrstna orientacija ni vedno možna zaradi: dejanske usmerjenosti strehe ali ploskve, na kateri želimo postaviti SSE, objektov (drevesa, dimniki, sosednji objekti ), ki povzročajo zasenčenja SSE. Praviloma vsak odklon SSE od južne orientacije zmanjšuje izkoristek sončne energije. Še sprejemljiva so odstopanja za ± 30 iz južne smeri, ki pa jih moramo kompenzirati z večjimi površinami SSE. Seveda se moramo vedno odločiti na dejanskem mestu predvidene postavitve SSE. Enako velja tudi pri nagibu strešne ploskve, od namena uporabe solarnega sistema in obdobja, v katerem nam je njegova učinkovitost najbolj pomembna. 33
Obdobje uporabe solarnega sistema Optimalen nagib SSE β [ ] Poleti 20 Pozimi 55 Letno povprečje 37 Tabela 13: Optimalen nagib SSE, odvisen od obdobja uporabe Proizvajalci v sklopu svoje tehnične dokumentacije (nomogrami) ali z uporabo programske opreme omogočajo določanje pogojev (orientacijo glede na smer neba, naklon SSE) za doseganje najboljšega izkoristka sončnega sevanja za dano lego objekta, na katerega želimo namestiti SSE. Zaščita SSE pred udarom strele SSE morajo biti zaščiteni pred udarom strele. Ohišje SSE moramo povezati s strelovodno napravo, ki vodi do ozemljitve, z bakrenim vodom najmanjšega preseka 16 mm 2. Priključek na strelovodno napravo mora izvesti strokovno usposobljena oseba in pri tem upoštevati ustrezne predpise in standarde. Izvesti moramo tudi ustrezne meritve strelovodne inštalacije. Prav tako morajo biti vsi kovinski deli solarnega sistema na ustrezen način ozemljeni. Slika 34: Priključek SSE na strelovodno napeljavo Regulacija temperature Solarni sistemi za pripravo STV morajo biti opremljeni z elementi, ki omogočajo avtomatsko regulacijo pravilnega delovanja celotnega sistema in njegovo prilaganje zahtevanim pogojem. Regulacija temelji na neprekinjenem merjenju temperatur v določenih točkah sistema. Sistem za regulacijo delovanja nato ustrezno vklaplja ali izklaplja delovanje obtočne črpalke solarnega medija. Avtomatska regulacija služi tudi za preprečevanje nezaželenih stanj v sistemu (omejevanje pregrevanja STV v hranilniku, nadzor delovanja tipal ), prav tako mora pravočasno vključiti dodatni vir toplote, če je to potrebno in sončno sevanje ne more pokriti vseh potreb po toploti. 34
Regulacija temperaturne razlike Regulacija temperaturne razlike je osnovna naloga regulacijske enote solarnega sistema. S tipali stalno merimo temperaturo medija za prenos toplote v SSE in v hranilniku toplote. Na osnove teh meritev pa krmilno regulacijska enota vklaplja ali izklaplja obtočno črpalko. V primeru prekoračitve temperaturne razlike med temperaturo v SSE in hranilniku toplote, ki je nastavljena na regulacijski enoti, se po potrebi obtočna črpalka vklopi ali izklopi. Nastavljene vrednosti so lahko v naslednjih intervalih: vklop obtočne črpalke - možno: 2 12 C - priporočeno, standardno: 5 8 C izklop obtočne črpalke: - možno: 1 10 C - priporočeno, standardno: 3 C Pri nastavljeni vrednosti temperaturne razlike za vključevanje obtočne črpalke moramo upoštevati dolžino cevnega razvoda, kakovost toplotne izolacije ter dejstvo, da večja temperaturna razlika povzroča večje toplotne izgube. Najpomembnejši faktor pri izbiri temperaturne razlike izklopa obtočne črpalke pa je možnost izbire zakasnitve izkopa. Slika 35: Diagram regulacije temperaturne razlike v solarnem toplotnem sistemu Maksimalno temperaturo STV v hranilniku toplote običajno nastavimo na 65 C, saj je pri višjih temperaturah bistveno bolj intenzivno izločanje vodnega kamna, kar na daljši rok poslabšuje toplotno prehodnost na površini toplotnega izmenjevalca in zmanjšuje volumen STV. Pomembno: maksimalna temperatura STV, pri kateri se izklopi delovanje obtočne črpalke, ne varuje solarnega kroga, v katerem je medij za prenos toplote pred previsoko temperaturo. Primer: obtočna črpalka se izklopi zaradi dosežene temperature 65 C v zalogovniku STV, temperatura v solarnem krogu in SSE pa naraste do 130 C obtočna črpalka se mora pri tej temperaturi ponovno vklopiti, zato da odstrani akumulirano toploto v solarnem krogu in 35
prepreči nastanek poškodb. Temperatura hranilnika lahko naraste do največ 95 C. Pri višji temperaturi mora regulator obtočno črpalko ustaviti, da prepreči vretje STV v bojlerju. Ponoči deluje črpalka tako dolgo, dokler ni hranilnik ohlajen na 65 C. Prednost takšnih funkcij regulatorja je v tem, da se izognemo temperaturam mirovanja (stagnacija), pri katerih se celotna vsebina prenosnega medija glikola in vode v kolektorskem krogu popolnoma upari. Posledica so okvare naprav v kolektorskem krogu ali prenosnega medija. Diferenčni temperaturni regulatorji nudijo dodatne funkcije za zaščito pred zmrzaljo, za dopustniške faze, posebne funkcije za cevne kolektorje, za regulacijo števila vrtljajev obtočnih črpalk itd. Večina solarnih regulatorjev lahko vklopi dogrevanje STV v bojlerju, če njena temperatura pade pod nastavljeno minimalno vrednost. 36
5. PROJEKTNA NALOGA Za enodružinsko hišo v Velenju, v kateri biva 5 članov družine, je potrebno izdelati projekt ogrevanja STV z uporabo sončne energije. Določiti je potrebno vse elemente, ki so nujni za izvedbo ogrevanja, in določiti stopnjo pokritja. Za primer izračuna bomo izbrali sončne kolektorje proizvajalca Stiebel Eltron SOL 27 Basic, za katere nam proizvajalec omogoča uporabo nomograma, s katerim določimo bistvene elemente našega sistema. 1. Ugotavljanje potreb po topli vodi: 5 oseb, zmerna poraba, 40 l/oseba/dan 45 C VDI 2067, skupaj 200 l. 2. Določitev potrebne prostornine ogrevalnika vode: čas zaloge tople vode (2 dni) je 300 l. 3. Določitev površine kolektorjev: lokacija Velenje, usmerjenost strehe J nagib strehe 45 ; Slovenija leži v coni II. Potrebujemo 2 kolektorja SOL 27 BASIC, ki ju bomo vezali zaporedno optimalni potrebni pretok skozi kolektor 40 l/(hm 2 ) x 2,38 m 2 x 2 = 190 l/h. 37
38
4. Izguba tlaka v kolektorjih zaporedna vezava medij za prenos toplote mešanica glikol 40 %, voda 60 % uporabimo diagram za kolektorje (EURO C 20 s podobnimi hidravličnimi lastnostmi). Iz diagrama odčitamo tlačni padec 44 mbar. Slika 36: Diagram za izbiro kolektorja 5. Določitev premera povezovalnih cevi do toplotnega hranilnika priporočljiva hitrost v cevi je 0,4 0,7 m/s. Izračunamo najmanjši potrebni notranji premer cevi: (4. Q) d = (3,14. v) = 0,11m = 11 mm Izberemo bakreno cev Cu 15 x 1. Z uporabo diagrama določimo tlačni padec v cevnem razvodu. Odčitamo, da je tlačni padec približno 2,2 mbar/m (1 hpa = 1mbar). 6. Dolžina povezovalnih cevi je ocenjena na cca. 30 m tlačni padec v ceveh znaša 66 Pa, tej vrednosti dodamo še 30 % za tlačne padce, ki nastanejo v spojnih elementi, kolenih, lokih, ventilih Skupni tlačni padec cevnega razvoda znaša zato 85,8 mbar. 39
Slika 37: Določevanje padca tlaka cevnega razvoda 7. Tlačni padec v izmenjevalniku toplote v hranilniku STV odčitamo iz diagrama pri 190 l/h in znaša 2 mbar. 40
tlačna izguba v mbar Slika 38: Določevanje padca tlaka v izmenjevalniku toplote Z uporabo navedenega obrazca določimo skupne tlačne padce: p = p SSE + p r + p iz = 44 mbar + 85,8 mbar + 2 mbar = 131,8 mbar 8. Izbira in nastavitev obtočne črpalke: pretok: 190 l/h = 0,19 m 3 /h tlačni padec: 131,8 mbar = 0,138 bar = 1,38 m vodnega stolpca S pomočjo programske opreme proizvajalca WILO Select 4 izberemo ustrezno črpalko. Programska oprema nam izbere frekvenčno regulirano črpalko WILO STRATOS 25/1-4 PN10, ki jo nastavimo na ustrezen pretok in tlačni padec. Navodila za izbor: https://www.youtube.com/watch?v=0ntjufeyzuq Povezava do izbornega programa: http://select3.wilo-select.com/l2006/inner.asp?framed=1&aw GROUP=DE 41
42
9. Za določitev prostornine raztezne posode uporabimo obrazec: V N = (V V + V 2 + z. V K ). (p e + 1) p e p st Vv = 3 l Β = 0,13 (prostorninski razteznostni koeficient) V2 = VA. β = 13,47 l. 0,13 = 1,75 l VK = 1,3 l VIT = 9,5 l (podatek proizvajalca) H = višinska razlika med najvišjo točko kolektorskega polja in vtokom črpalke V A = V cevi + V IT = 3,97 l + 9,5 l = 13,47 l V cevi = π. d2 4. l = π. (13 mm)2 4. 30. 10 3 mm = 39799520 mm 3 = 3,97 l p st = 1 bar + 0,1. bar m. 8 m = 1,8 bar p e [bar] = 0,9. p si = 0,9. 6 bar = 5,4 bar V N = (3 l + 1,75 l + 2.1,3 l). (5,4 bar + 1) 5,4 bar 1,8 bar = 13,1 l Zaradi možnosti nastajanja pare tudi v cevnem razvodu solarnega kroga je priporočljivo vrednost VN pomnožiti z varnostnim faktorjem 1,5. Dobimo prostornino 19,65 l, nato pa iz kataloga proizvajalcev izberemo prvo večjo raztezno posodo (25 l). Model Prostornina [l] Diameter [mm] Višina [mm] Razdalja E [mm] Priključek SOLAR PLUS 12 12 294 281-3/4 SOLAR PLUS 18 18 290 400-3/4 SOLAR PLUS 25 25 324 415-3/4 SOLAR PLUS 35 35 404 408-3/4 SOLAR PLUS 50 50 407 530-3/4 SOLAR PLUS 80 80 450 608 150 3/4 SOLAR PLUS 105 105 500 665 165 3/4 SOLAR PLUS 200 200 600 812 225 1 SOLAR PLUS 250 250 630 957 245 1 SOLAR PLUS 300 300 630 1105 245 1 SOLAR PLUS 400 400 630 1450 245 1 SOLAR PLUS 500 500 750 1340 290 1 SOLAR PLUS 600 600 750 1555 290 1 Tabela 14: Izbira raztezne posode 43
Tipalo v SSE Tipalo v hranilniku (zgoraj) Tipalo v hranilniku (spodaj) Nizkonapetostni rele za vključevanje dodatnega vira toplote Črpalka solarnega kroga Črpalka kroga dodatnega vira toplote Napajanje 230 V ± 10 % AC 50 60 Hz 10. Izbira varnostnega ventila: glede na aperturno površino SSE (4,76 m 2 ) skladno s SIST EN 12975-1 izberemo varnostni ventil DN 15. Za aperturne površine do 40 m 2 izberemo varnostni ventil DN 15, za površine do 80 m 2 DN 20, za površine do 160 m 2 pa DN 25. 11. Izbrati je potrebno še protipovratni ventil, avtomatske odzračevalne ventile, avtomatski ločevalnik zraka, težnostno zavoro povratnega in dvižnega voda, polnilno praznilno pipo, termometre, omejevalnik količine pretoka, zaporne ventile. Vsi ti elementi so običajno vezani na dimenzijo cevne inštalacije. Izbrati moramo tudi toplotno izolacijo. Pri toplotni izolaciji je potrebno paziti, da je sposobna prenesti zelo visoke temperature, ki lahko nastanejo pri stagnaciji sistema (npr. Armacell HT ARMAFLEX). 12. Regulacija delovanja sistema: potrebno je izbrati ustrezen sistem regulacije za delovanje sistema za pripravo STV, ki omogoča krmiljenje delovanja obtočne črpalke solarnega sistema, tudi krmiljenje dodatnega vira toplote (plinskega kotla) in dodatne obtočne črpalke. regulacijska enota 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 FKY FRY1 FRY2 R2 R1 R1 N N N N N L tipalo v SSE obtočna črpalka kroga dodatnega vira toplote SSE obtočna črpalka tipalo v zgornjem delu hranilnika hranilnik dodatni vir toplote tipalo v spodnjem delu hranilnika Slika 39: Primer enostavne regulacije solarnega toplotnega kroga 44
6. MONTAŽA KOLEKTORJEV Sončni kolektorji se lahko zaradi svojih vsestranskih konstrukcijskih oblik inštalirajo na skorajda vse zgradbe: pri novogradnjah ali pri posodobitvi zgradb, na nagnjene strehe, ravne strehe in fasade, prostostoječe na zemljišču, integrirano v površino strehe. Načeloma morajo biti kolektorji montirani tako, da dosegamo skozi celo leto optimalen doprinos energije. Naklon SSE prilagodimo obdobju, v katerem imamo na razpolago manj sončne energije, zato kolektorje postavimo z večjim naklonom, kot bi bilo računsko optimalno (40 50 ). Velikih doprinosov toplotne energije solarnih sistemov poleti ne potrebujemo, saj so potrebe po sanitarni topli vodi manjše. Zaradi varnostnih razlogov mora pritrditev kolektorjev prenašati vremenske obremenitve, kot so nalivi, viharji in debelejše snežne odeje, od 20 do 25 let. Te obremenitve predstavljajo poseben izziv za monterje montažnih sistemov. Pomemben je standard, ki določa statiko (DIN 1055), kategorizira v solarni tehniki mehanske obremenitve na 4 cone obremenitve zaradi vetra in 5 zaradi snega, ki jih moramo upoštevati pri izbiri materiala 1 m in montaži. Na internetu obstaja različna programska oprema za preračune in napotki: http://www.windimnet2.de/sol_551.aspx. Izdelovalci izdajo poleg navodil za montažo tudi napotke za strokovno pritrditev kolektorjev na streho in omogočajo nabavo ustreznih komponent za montažo. Posebno poudarjajo podatek, da je potrebno zaradi turbulenc na strešnih robovih kolektorje pritrditi v razdalji približno enega metra od roba strehe. Po namestitvi strešnih sider je potrebno streho zopet zatesniti s strešno opeko ali primernim pokritjem. Ponudba certificiranih strešnih sider in montažnih ogrodij za vse načine pritrditev na dvokapnih, ravnih strehah in fasadah je zelo velika, kar pomeni za inštalaterja veliko razbremenitev, saj bi moral v Slika 40: Razdalja pritrditve kolektorja od roba strehe Slika 41: Primer strešnega sidra nasprotnem primeru le-te sam razviti ali poiskati ustrezne rešitve. Na spodnjih slikah je prikazana montaža kolektorjev po navodilih podjetja Viessmann. 45
Montaža na nagnjeno streho Za pritrditev kolektorjev poznamo univerzalne sisteme, ki poenostavijo montažo. Pritrditveni sistemi so primerni za skoraj vse vrste streh in strešnih kritin ter za montažo na ravne strehe in fasade. Slika 42: Škarniško sidro Slika 42: Škarniški kavelj Slika 43: Škarniška prirobnica Montaža na streho z različnimi pritrditvenimi sistemi: A Kolektor B Škarniško sidro C Montažna tirnica D Nosilec cevi Slika 45: Ravni kolektor s škarniškim sidrom Slika 44: Vakuumski cevni kolektor s škarniškim sidrom A Kolektor B Škarniški kavelj C Montažna tirnica D Nosilec cevi Slika 46: Ravni kolektor s škarniškim kavljem Slika 46: Vakuumski kolektor s škarniškim kavljem 46
A Kolektor B Škarniška prirobnica C Montažna tirnica D Nosilec cevi Slika 48: Ravni kolektor s škarniško prirobnico Slika 47: Vakuumski kolektor s škarniško prirobnico Uporabnost pritrditvenih sistemov: Škarniško sidro je univerzalno uporabno za vse tržne strešne kritine in dimenzionirano za maksimalno hitrosti vetra do 150 km/h. Škarniški kavelj se lahko uporabi za kritine s profilnimi strešniki in je dimenzioniran za maksimalno hitrosti vetra do 150 km/h ter snežno breme do 1,25 kn/m 2. Škarniška prirobnica je uporabna za kritine z bobrovcem in s skrilavcem ter dimenzionirana za maksimalno hitrosti vetra do 150 km/h in snežno breme do 1,25 kn/m 2. Montaža kolektorjev: https://www.youtube.com/watch?v=gcgw13gf7ai https://www.youtube.com/watch?v=cd72sao80rw 47