Kolektor płaski

Najwcześniej na rynek wprowadzona wersja kolektora słonecznego. Budowa kolektora płaskiego jest bardzo prosta. Zbudowany jest najczęściej ze stalowej lub aluminiowej obudowy, która jest izolowana wełną mineralną, następnie ułożone są rurki miedziane, którymi prowadzony jest roztwór glikolu wodnego. Na tych rurkach montowany jest absorber mający za zadanie zbierać energię cieplną promieniowania słonecznego i przekazywać je na rurki w postaci energii cieplnej. Całość zamknięta jest szybą o podwyższonej wytrzymałości udarowej czasem o specjalnym wykończeniu antyrefleksyjnym zwiększającym przepuszczalność promieniowania słonecznego.

Zalety
•    Szybkość działania i osiąganie temperatury roboczej w okresie wiosna – lato – jesień
•    Estetyczny wygląd (przypominają z daleka standardowe okna dachowe)
•    Możliwość odwrócenia przepływu energii cieplnej pozwalające na automatyczne odśnieżenie kolektora.
Wady
•    Niższa efektywność w porównaniu do kolektorów próżniowych w skali roku
•    Podatność na przegrzewanie wymuszające profilkatyczny montaż systemu zrzutu nadmiaru ciepłej wody (najczęściej w układ c.o.)
•    W razie uszkodzenia panela konieczność wymiany całego panela co wiąże się z wysokimi kosztami

Proponowane zastosowania
•    Ogrzewanie cwu gdzie zużycie wody użytkowej największe jest w okresie od wiosny do jesieni a zimą i tak pracuje źródło ogrzewające c.o. mogące ogrzewać również cwu.
•    Ogrzewanie wody basenowej

Kolektor rurowo – próżniowy technologia HEAT – PIPE („ciepła rurka”)

Projekt kolektora słonecznego wprowadzony na rynek nieco później niż kolektor płaski.
Podstawowym elementem kolektora próżniowego są rury szklane ze szkła borowo-chromowego o podwójnych ścianach, między którymi znajduje się próżnia. Rury te są zamknięte na zasadzie „termosu”. Na powierzchnię wewnętrznej rury napylona jest selektywna warstwa absorbera AL-N/AL, którego celem jest pochłanianie energii promieniowania słonecznego. Energia ta, już w postaci energii cieplnej, jest przekazywana umieszczonej w szklanym „termosie” miedzianej rurce typu „heat pipe”, wypełnionej czynnikiem roboczym. Podczas pracy kolektora czynnik roboczy zmienia stan ciekły w stan gazowy już w temperaturze 20ºC i przenosi energię cieplną do kondensatora. Kondensatory wszystkich rurek umieszczone są w zaizolowanym miedzianym rozdzielaczu. Podczas pracy zestawu przez rozdzielacz przepływa roztwór glikolu wodnego, który transportuje ciepło z kondensatorów (końcówek rurek „heat pipe”) do wężownicy w zbiorniku wodnym (buforze). Czynnik roboczy po oddaniu energii cieplnej w kondensatorach schładza się, skrapla i spływa w dół do ponownego nagrzania. Dzięki takiemu rozwiązaniu technologicznemu kolektor odporny jest na przegrzewanie się.

Zalety
•    Wyższa efektywność w skali roku niż kolektora płaskiego
•    Możliwość wymiany poszczególnych elementów kolektora w razie uszkodzenia
•    Możliwość stosowania do cwu i do wsparcia c.o.
•    Zmniejszony opór powietrza
Wady
•    Niższa efektywność w okresie letnim od kolektora płaskiego
•    Częściej podrabiany kolektor (na rynku można spotkać kolektory udające systemy rurowo-próżniowe)
•    Ze względu na technologię wymuszony montaż jak najbliżej konta 45º względem ziemi
Proponowane zastosowania
•    Podgrzewanie cwu w budynkach całorocznych
•    Wsparcie c.o.

Kolektor rurowo-próżniowy technologia U-PIPE

Kolektor o tak zwanym przepływie bezpośrednim (direct flow). Kolektor w którym starano się ominąć bezwładność systemu heat pipe a jednocześnie zachować ego zalety. Czyli skuteczność pracy w warunkach temperatur minusowych i efektywność w skali całego roku. Kolektory tego typu dosyć rzadko stosowane przede wszystkim ze względu na cenę.

Zalety
•    Wyższa efektywność w skali roku niż kolektora płaskiego
•    Możliwość wymiany poszczególnych elementów kolektora w razie uszkodzenia (w ograniczonym zakresie)
•    Możliwość stosowania do cwu i do wsparcia c.o.
•    Zmniejszony opór powietrza
•    Mniejsza bezwładność systemu w porównaniu z technologią HEAT PIPE
Wady
•    Niższa efektywność w okresie letnim od kolektora płaskiego
•    W razie uszkodzenia rurki przez którą płynie roztwór glikolu wodnego konieczna wymiana całego panela grzewczego
•    Wyższa cena w porównaniu do kolektora płaskiego i rurowo-próżniowego technologii HEAT-PIPE
Proponowane zastosowania
•    Podgrzewanie cwu w budynkach całorocznych
•    Wsparcie c.o.

Kolektor płaski próżniowy

Jedno z najnowszych rozwiązań wprowadzonych na rynek w technologiach kolektorów słonecznych. Kolektor w którym starano się połączyć zalety kolektorów płaskich oraz rurowo-próżniowych przy eliminacji ich podstawowych wad. Warunkach optymalnych faktycznie kolektory tego typu są bardziej efektywne niż kolektory innych typów. Niestety nadal dotykają je „choroby wieku dziecięcego” oraz charakteryzuje je wysoka cena i skomplikowany montaż wraz ze skomplikowanym oraz drogim serwisem.
Zalety
•    Wyższa efektywność niż kolektorów płaskich czy rurowo-próżniowych
•    Możliwość stosowania do cwu i do wsparcia c.o.
•    Mniejsza bezwładność w porównaniu do systemów rurowo-próżniowych
Wady:
•    Wysoka cena
•    Skomplikowany montaż i serwis
•    Rozszczelnianie się kolektora i utrata izolacji próżniowej co wymusza częstsze kontrolowanie kolektorów

System CPC

System zwiększający efektywność pracy kolektorów rurowo-próżniowych. Dzięki zastosowaniu systemu cpc zwiększa się o 100% aktywnie działająca powierzchnia absorbera w kolektorze.

Należy pamiętać, że systemy solarne są elementem wspierającym standardowe systemy grzewcze. Ich efektywność w dużej mierze zależy od kilku czynników
•    Zużycie wody. Im zużycie wody większe tym większe oszczędności generuje system solarny
•    System hydrauliczny budynku. Im starszy system hydrauliczny budynku tym niejsze oszczędności wygenerowane przez system solarny. Szczególnie widoczne jest to przy wsparciu c.o.
◦       System solarny dla cwu i wsparcia c.o. będzie bardzo efektywny w domu wyposażonym w system ogrzewania podłogowego, niskotemperaturowego. Oszczędności w takim wypadku w skali roku mogą sięgnąć nawet 50%.
◦       Jeśli w domu zastosowany system ogrzewania niskotemperaturowego, kaloryferowego oszczędności na c.o. prawdopodobnie nie przekroczą 30%.
◦       Przy systemach grzewczych wysokotemperaturowych i na przykład grzejnikach żeliwnych praktycznie przestają się opłacać do wsparcia c.o. Dlatego w takim przypadku sugerujemy ograniczyć system solarny tylko do ogrzewania cwu.

Przykładowy schemat systemu dla CWU

 Przykładowy schemat instalacji dla CWU ze wsparciem C.O.

 Przykładowe możliwości montażu kolektorów

 Porównanie efektywności systemów solarnych opartych o kolektory płaskie i próżniowe

Pozostałe główne elementy systemu solarnego

Podgrzewacz solarny – zbiornik ciepłej wody (bufor)
W układach solarnych stosuje się większe podgrzewacze ciepłej wody, niż w przypadku systemów tradycyjnych. Postępuje się tak dlatego, żeby w godzinach „słonecznych” można było magazynować ciepłą wodę i w ten sposób korzystać z niej kiedy słońce już nie świeci (szczyt poboru ciepłej wody to najczęściej ranek i wieczór). Z reguły w technice solarnej w domach jednorodzinnych stosuje się podgrzewacze ciepłej wody tak zwane „biwalentne”, czyli posiadające dwie wężownice, solarną (dolną) oraz kotłową (górną). Zbiornik taki może być emaliowany lub ze stali nierdzewnej.

Zbiornik emaliowany
•    Wykonany ze stali i zabezpieczony emalią od wewnątrz
•    Izolowany z zewnątrz
•    Wymagane stosowanie anody do ochrony wewnętrznej powłoki zbiornik przed negatywnym wpływem wody. Średnio wymieniana co 18 m-cy
•    Raz w roku wymagane przegrzanie wody w zbiorniku do 80ºC w celu zabezpieczenia przed bakterią Legionella
•    Możliwość zamontowania opcjonalnego podgrzewacza 2000W, elektrycznego
•    Utrata ciepła około 1ºC na 24h

Zbiornik ze stali nierdzewnej
•    Wykonany ze stali nierdzewnej
•    Izolowany z zewnątrz
•    Nie wymagane stosowanie anody, zbiornik ze stali nierdzewnej odporny jest na działania wody w zbiorniku
•    Raz w roku wymagane przegrzanie wody w zbiorniku do 80ºC w celu zabezpieczenia przed bakterią Legionella
•    Możliwość zamontowania opcjonalnego podgrzewacza 2000W, elektrycznego
•    Utrata ciepła około 1ºC na 24h
•    Dwa razy dłuższa gwarancja

Hydrauliczna grupa solarna
Zadaniem grupy hydraulicznej jest sterowanie i zabezpieczanie pracy instalacji solarnej. Dobra grupa hydrauliczna zawiera w sobie:

•    Pompę solarną, wymuszającą obieg cieczy solarnej
•    Rotametr, służący do regulacji i kontroli natężenia przepływu cieczy solarnej
•    Grupę bezpieczeństwa z manometrem, ciśnieniowym zaworem bezpieczeństwa i przyłączem do zamkniętego naczynia wzbiorczego
•    Separator powietrza (dla łatwego odpowietrzenia instalacji solarnej)
•    Króćce do napełniania i płukania instalacji
•    Zawór zwrotny
•    Odpowiednio profilowaną izolację cieplną całości grupy hydraulicznej

Występują hydrauliczne grupy solarne jedno i dwu drożne.

Regulator solarny (automatyka)
Zadaniem regulatora solarnego jest elektroniczne sterowanie i nadzór nad pracą zestawu solarnego. Umożliwia użytkownikowi i instalatorowi regulację zestawu i kontrolę nad pracą całego układu. Dzięki umieszczonym w poszczególnych miejscach układu czujnikom temperatury, regulator solarny zbiera i przetwarza wszelkie informacje niezbędne do prawidłowego sterowania zestawem solarnym.

W niektórych regulatorach można nastawienia systemu ustawiać poprzez łącze internetowe z każdego miejsca na świecie.

Naczynie wzbiorcze
Jego zadaniem jest ochrona instalacji solarnej przed wzrostem ciśnienia (spowodowanego wzrostem objętości roztworu glikolu wodnego wraz ze wzrostem temperatury). W przypadku przegrzania naczynie to zabezpiecza instalację przed ubytkiem cieczy solarnej.

Jednocześnie w systemach solarnych opartych o kolektory rurowo-próżniowe naczynie wzbiorcze może być wykorzystywane do wstępnego schłodzenia roztworu glikolu wodnego w systemie.

Podstawową zaletą pompy ciepła jest to, że charakteryzuje się dużo mniejszym poborem energii elektrycznej w stosunku do oddanej energii cieplnej. W porównaniu do grzałki elektrycznej o tej samej mocy pobór energii elektrycznej jest kilka razy mniejszy. Dlatego podstawowym parametrem charakteryzującym pracę pomp ciepła jest współczynnik efektywności energetycznej COP (coefficient of performance).
Poniżej znajduje się wyjaśnienie w jaki sposób pracuje pompa ciepła i jak wpływają różne czynniki na efektywność jej pracy.

Współczynnik COP wylicza się wg. Wzoru:
                                                                                                                      moc grzewcza urządzenia
                                                                                              COP =     ——————————–—————––
                                                                                                                      moc pobrana napędu

Współczynnik COP jest zależny głównie od temperatury powietrza zasilającego pompę ciepła oraz wymaganej przez nas temperatury wody użytkowej. Im wyższa wartość współczynnika COP tym lepszą wydajność ma nasza instalacja.

Współczynnik COP spada wraz z obniżaniem temperatury powietrza, a parametry fizyczne czynnika w układzie sprężarki sprawiają, że dla pewnej niskiej temperatury źródła odbiór ciepła staje się niemożliwy. Ten sam problem dotyczy temperatury po stronie ogrzewanej wody. Podnoszenie żądanej temperatury wody użytkowej lub grzewczej będzie również powodowało obniżanie współczynnika COP. Dlatego też, aby maksymalnie efektywnie korzystać z pompy ciepła należy dążyć do zapewnienia optymalnych warunków jej pracy tzn. zapewnić odpowiednio ciepłe powietrze do jej pracy, jak również wziąć pod rozwagę czy nastawiona temperatura grzania pompy ciepła nie jest czasem niepotrzebnie za wysoka.

Z punktu widzenia ekonomi instalacji, jeśli komfortowa dla nas jest temperatura wody użytkowej na poziomie 45-50 C to pompa ciepła powinna pracować do temperatury 50 C (ponowne załączenie urządzenia wg. nastaw fabrycznych nastąpi w momencie, gdy temperatura w zasobniku spadnie do 45 C). W innych źródłach grzewczych, gdzie koszt ogrzewania nie zależy od temperatury ogrzewanej wody, często stosowane jest przegrzanie zbiornika i zastosowanie zaworu mieszającego – w przypadku pomp ciepła nie jest to rozwiązanie ekonomicznie.

Istotą działania samego urządzenia jakim jest pompa ciepła, jest praca na cieple przekazywanym w czasie przemian fazowych. Dlatego stosując specjalne czynniki chłodnicze potrafimy odebrać ciepło w niskich temperaturach powietrza i oddać je bez dużego wydatku energetycznego do wody o wyższej temperaturze. W pewien sposób jest to układ podobny do lodówki, z której wnętrza transportujemy ciepło poza komorę chłodniczą. W przypadku pomp ciepła sytuacja jest odwrotna, ale analogiczna co do zasady działania – ciepło jest pobierane z otoczenia i transportowane do wnętrza zasobnika wody użytkowej.

Jednym z głównych kryteriów zakupu urządzenia jest oszczędność na poziomie eksploatacji. Zwłaszcza jeśli korzystamy w okresie letnim z grzałek elektrycznych lub kotła olejowego mamy podstawy ekonomiczne do zmiany na powietrzną pompę ciepła do ogrzewania CWU.
W przypadku kotła stałopalnego mniej mówimy o zyskach ekonomicznych w porównaniu do samego spalonego paliwa, ponieważ koszty ogrzewania wody są porównywalne – tutaj decydującą kwestią jest automatyka działania instalacji oraz ewentualne koszty jakie należy ponosić za remont komina w przypadku grzania kotłem na niskich parametrach (wykraplanie się spalin).

Poniżej pokazano roczne koszty ogrzewania wody za pomocą różnych urządzeń automatycznych.

Do obliczeń przyjęto dla pompy ciepła – współczynnik COP średnio-sezonowy = 3,84 (A15/W15-45, praca całoroczna na powietrzu wentylacyjnym). W przypadku wykorzystania pompy ciepła do schładzania pomieszczeń czas zwrotu będzie jeszcze szybszy – chłodzenie jest efektem ubocznym, ale przez to całkowicie darmowym i skracającym czas zwrotu inwestycji do 2-3 lat.

Budowa pompy ciepła

Główne cechy sprężarki w układzie pompy ciepła:
1) Zwiększa temperaturę i ciśnienie czynnika chłodniczego, tak aby można było efektywnie oddać ciepło w skraplaczu pompy ciepła
2) Od sprężarki w dużej mierze zależy efektywność i wydajność całego procesu, ponieważ ta część pompy ciepła pobiera ok.90%energii elektrycznej.

W pompach ciepła PCWU 200 i PCWU 300 została zastosowana sprężarka HIGHLY (fabryka Hitachi) o mocy
pobieranej: 0,6kW. Typ kompresora: rotacyjny.

Skraplacz
Wymiennikiem w którym następuje oddawanie ciepła do wody użytkowej jest gęsto nawinięta rurka na płaszczu zasobnika wykonanego ze stali nierdzewnej. Duża powierzchnia wymiany oraz zastosowanie specjalnych smarów silikonowych wspomagających przewodzenie ciepła, a z drugiej strony bardzo dobrej izolacji pianka poliuretanowa pozwoliła nam na osiągnięcie takiego samego współczynnika COP jak w pompach ciepła, gdzie skraplacz jest zanurzony bezpośrednio w wodzie. Zaletą owinięcia skraplacza jest mniejsza wrażliwość na błędy instalacji elektrycznej i jakości wody w budynku, przez co czas pracy pompy ciepła z zasobnikiem zostanie dodatkowo wydłużony.

Zawór rozprężny Danfoss
W pompach ciepła PCWU 200K-2.3kW, PCWU 300K-2.3kW i PCWU 300SK-2.3kW zastosowano zawór rozprężny firmy Danfoss sterowany ciśnieniowo. Zawór rozprężny ma za zadanie doprowadzić do sytuacji w której w parowaczu czynnik chłodniczy pobierze ciepło z powietrza omywającego parowacz. Odbiór ciepła dokonuje się poprzez parowanie czynnika. W zależności od różnicy temperatur czynnika przed i za parowaczem, zawór rozprężny albo się otwiera (w momencie kiedy na parowaczu mamy naddatki ciepła i większa ilość czynnika może być odparowana) albo się zamyka (jeśli za dużo czynnika jest kierowane na parowacz i całości nie może odparować ze względu na zbyt małą ilość ciepła w powietrzu). Zamykanie lub otwieranie zaworu rozprężnego powoduje zmianę ciśnienia czynnika przed parowaczem – a przez to zmianę temperatury odparowania czynnika (mniejsze ciśnienie – czynnik wrze w niższych temperaturach, dla wyższego ciśnienie w wyższych). Obrazując sytuację dla lepszego zrozumienia – jeśli chcemy zagotować wodę na szczycie Mont Everestu (niskie ciśnienie powietrza) to zacznie ona wrzeć w temp. 68 C, jeśli tą samą wodę będziemy gotowali w szybkowarze (wyższe ciśnienie na lustro wody) to zacznie ona nam wrzeć dopiero w okolicach temp. 110 C. Kolokwialnie rzecz biorąc, jeśli sprężarkę nazwalibyśmy sercem układu, to zawór rozprężny byłby jego mózgiem.

Parowacz
Wewnątrz parowacza następuje zmiana stanu czynnika z ciekłego na gazowy. W czasie odparowania czynnik pobiera dużo ciepła z powietrza (ciepło to zostanie oddane w czasie skraplania do wody użytkowej). Ze względu na małe ciepło właściwe powietrza, musimy wymuszać przepływ powietrza przez parowacz za pomocą wentylatora. Parowacz jest zbudowany podobnie jak chłodnica samochodowa – miedziane rurki w których płynie czynnik chłodniczy zostały rozwinięte o aluminiowe lamele zwiększające powierzchnię wymiany cieplnej z powietrzem. Należy pamiętać o tym, że zanieczyszczony parowacz (np. tłustym powietrzem, pyłkami lub liśćmi) będzie zdecydowanie gorzej odbierał ciepło z  powietrza