Jak działa instalacja solarna? Z czego się składa?

Typowa instalacja solarna do wspomagania ogrzewania wody użytkowej, jakie często można spotkać domach jednorodzinnych, może wyglądać tak jak na rysunku poniżej.

Kolektory słoneczne

Kolektory płaskie i rurowe-próżniowe to główne elementy instalacji solarnej. Zamieniają energię promieniowania słonecznego na ciepło, które wykorzystujemy do ogrzewania wody do mycia i kąpieli (tzw. ciepła woda użytkowa, w skrócie: c.w.u.), do ogrzewania wody w basenie, rzadziej do wspomagania ogrzewania domu.
Kolektory ogrzewają „glikol”, który rurami dalej transportuje ciepło.

Odpowietrznik „dachowy”

W najwyższym punkcie instalacji solarnej, tj. na dachu przy kolektorach, powinien znaleźć się odpowietrznik. W zależności od konstrukcji, odpowiednik może działać automatycznie lub ręcznie.

Odpowietrznik służy do usuwania powietrza z instalacji – podczas jej napełniania, jak również w trakcie użytkowania instalacji solarnej.
Po odpowietrzeniu instalacji, odpowietrznik powinien zostać zakręcony – wyłączony. Dlaczego? W przypadku zagotowania „glikolu” w kolektorach, jego pary mogłyby wydostawać się z instalacji solarnej przez otwarty odpowietrznik. Stracilibyśmy wówczas część „glikolu” i trzeba by było uzupełnić instalację nowym.

Instalacja solarna: rury

Orurowanie instalacji solarnej wykonuje się najczęściej z:

– miedzi – odcinki rur łączone są ze sobą za pomocą lutowania twardego;
zalety: rury miedziane są stolnikowo tanie w zakupie,
wady: wykonanie instalacji zajmuje trochę czasu – jest pracochłonne,

– elastyczne rury ze stali nierdzewnej – od razu są zaizolowane cieplnie;
zalety: szybszy montaż, bo rury nie mają połączeń na całej długości – rura w jednym kawałku; brak połączeń to większe bezpieczeństwo pracy instalacji – brak możliwości rozszczelnienia instalacji prowadzonej np. w ścianie,
wady: droższe od rur miedzianych.

Rury instalacji solarnej prowadzone są od kolektorów do zbiornika ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Na całej długości izoluje się je dla ograniczenia strat ciepła. Izolacja powinna być odporna na wysokie temperatury, do ok. 150-170ᵒC.
Najczęściej izolacja wykonana jest z kauczuku, który jest „przysmakiem” ptaków. Dlatego, izolację rur biegnącą na powierzchni dachu zabezpiecza się przed ptakami i innymi zwierzętami dodatkowym płaszczem ochronnym z blachy stalowej bądź aluminiowej. Lub, taśmą z folii aluminiowej.

Przejście rur od kolektorów pod dach (wejście rurami do budynku), wykonuje się dachówką do wentylacji dachu lub specjalnymi przepustami dedykowanymi dla konkretnych pokryć dachowych.

Grupa pompowa – zasilanie zbiornika c.w.u.

Grupa pompowa (zestaw pompowy, lub jeszcze inna nazwa), są to zmontowane fabryczne elementy wyposażenia instalacji, znajdujące się w zaizolowanej cieplnie obudowie – całość gotowa do podłączenia.

W grupie pompowej możemy znaleźć następujące elementy:

Termometr tarczowy – możemy na nim odczytać temperaturę „glikolu” trafiającego do zbiornika c.w.u.

Zawór zwrotny – zapobiega „cofaniu się glikolu”.

Separator powietrza – usuwa powietrze z instalacji w trakcie jej pracy.

Żeby instalacja solarna pracowała z optymalną wydajnością nie powinna zwierać powietrza. Pęcherzyki powietrza pojawiają się tam, gdzie występuje wyższa temperatura („gorący glikol”). Dlatego separator powietrza zamontowany jest na zasilaniu zbiornika, do którego trafia „gorący glikol” z kolektorów słonecznych.

Powietrze w instalacji solarnej, to mniejsza ilość ciepła jaką otrzymujemy z promieni słonecznych, szumy w instalacji solarnej, wyższe temperatury „glikolu” w kolektorach i szybsze „zużywanie się glikolu”. Szybciej traci swoje właściwości i trzeba go częściej wymieniać.

Brak separatora powietrza w instalacji – niższy koszt inwestycji, ale prawdopodobnie kilka razy będziemy musieli zaprosić serwisanta, który ją odpowietrzy.

Jeśli separator powietrza nie znajduje się w grupie pompowej, warto go zamontować na instalacji:

Instalacja solarna a zbiornik c.w.u.

Instalacja solarna najczęściej wyposażona jest w zbiornik biwalentny c.w.u., wyposażony w dwa wymienniki ciepła (dwie wężownice):
– do wężownicy w górnej części zbiornika podłącza się główne źródło ciepła, np., kocioł gazowy, olejowy czy na paliwo stałe – główne źródło ciepła ogrzewa wodę w ok. połowie pojemności zbiornika, np. 100 litrów (zbiornik o całkowitej pojemności 250 litrów), czy 150 litrów c.w.u. w zbiorniku o całkowitej pojemności 300 litrów;
– do dolnej wężownicy podłącza się instalację solarną – kolektory ogrzewają wodę użytkową w całej objętości zbiornika, np. 250 l lub 300 litrów.

Armatura napełniająca

Po oddaniu ciepła wodzie użytkowej w zbiorniku, glikol rusza w drogę powrotną – do kolektorów. Pierwszym elementem, który może napotkać na swojej drodze jest armatura napełniająca. Jest to zestaw zaworów, który umożliwia płukanie i napełnianie „glikolem” instalacji – podczas uruchamiania instalacji solarnej.
Do armatury napełniającej możemy podłączyć pompę np. ręczną, za pocą której sami możemy uzupełniać płyn w instalacji solarnej, oczywiście jeśli będzie taka potrzeba.

Armatura napełniająca może znajdować się w zestawie pompowym, wówczas nie ma potrzeby jej montażu na instalacji.

Grupa pompowa – powrót do kolektorów

I znowu „glikol” trafia do grupy pompowej, gdzie na jego drodze znajduje się trochę więcej elementów instalacji.

Rotometr – służy do ustawiania właściwego natężenia przepływu „glikolu” przez kolektory oraz do bieżącej kontroli czy przepływ jest właściwy. Rotometry mogą mieć różną budowę, ale zawsze posiadają szybkę z podziałką, na której możemy odczytać aktualny przepływ „glikolu”.

Zawory odcinające, napełniający i spustowy – umożliwiają przepłukanie instalacji i jej napełnienie „glikolem” przy jej uruchamianiu.

Pompa solarna – przetłacza „glikol” przez całą instalację.

Zawór zwrotny – zapobiega „cofaniu się glikolu”.

W połączeniu z zaworem zwrotnym na zasilaniu zbiornika c.w.u. tworzy tzw. „zawór antygrawitacyjny” – w nocy, kiedy kolektory nie pracują a w zbiorniku mamy wysoką temperaturę wody użytkowej, może ona ogrzewać „glikol”, który samoczynnie (grawitacyjnie), będzie trafiał do kolektorów. Wówczas kolektory będą schładzać „glikol” i przez to powodować wychładzanie zbiornika c.w.u. – straty ciepła. Żeby temu zapobiec stosuje się tzw. „zawory antygrawitacyjne”, które zapobiegną samoczynnemu przepływowi „glikolu” przez instalację.

Termometr tarczowy – odczytamy na nim temperaturę „glikolu” trafiającego do kolektorów.

Zawór bezpieczeństwa i zbiornik płynu solarnego – zabezpiecza instalację przed nadmiernym ciśnieniem, które mogło by uszkodzić jej elementy: >6 bar.

Jeśli ciśnienie w instalacji będzie zbyt wysokie, zawór otworzy się i wyrzuci z niej część „glikolu” powodując obniżenie ciśnienia w instalacji.

W instalacjach solarnych wylot zaworu bezpieczeństwa podłącza się do ustawionego w pobliżu zbiornika płynu solarnego. Jeśli zadziała zawór bezpieczeństwa, „glikol” trafi do zbiornika, z którego ponownie będziemy mogli wprowadzić go do instalacji.

Manometr – wskazuje ciśnienie w instalacji.

Przeponowe naczynie wzbiorcze – służy do równoważenia zmian ciśnienia w instalacji. Dzięki niemu, praktycznie nie zaobserwujemy wahań ciśnienia na manometrze jak „glikol” będzie zimny czy gorący.

Naczynie wzbiorcze to zbiornik przedzielony elastyczną membraną. W górnej części może do niego wpływać „glikol” z instalacji solarnej. W dolnej znajduje się gaz – azot.

Nagrzewanie „glikolu” przez kolektory powoduje zwiększanie jego ciśnienia w instalacji – więcej „glikolu” wpływa do naczynia wzbiorczego. Kiedy „glikol” ochłodzi się, wraca z powrotem do instalacji – wypychany jest z naczynia przez ciśnienie azotu.

Kolektory słoneczne

Z grupy pompowej „glikol” ponownie trafia do kolektorów, gdzie zostaje ogrzany i ponownie rusza w drogę do zbiornika c.w.u.

Instalacja solarna: glikol

Płyn solarny potocznie nazywany jest „glikolem”. W rzeczywistości jest to mieszanina składająca się z wody destylowanej i glikolu propylenowego lub etylenowego, w stosunku: 50-60% wody, do 50-40% glikolu. Im więcej glikolu, tym niższa temperatura zamarzania płynu solarnego.

Glikol nie sprzyja materiałom, z których wykonuje się instalacje solarne. Dlatego, aby zapewnić ich wieloletnią i niezawodną pracę, dodaje się substancje tzw. uszlachetniające, które chronią instalację podczas jej codziennej pracy.

Regulator solarny

Regulator dba o efektywne i maksymalne wykorzystanie ciepła słonecznego. Za pomocą czujników temperatury, mierzy temperaturę „glikolu” w kolektorach oraz temperaturę wody użytkowej w zbiorniku c.w.u.
Jeśli „glikol” w kolektorach ma wyższą temperaturę niż woda w zbiorniku (różnica ok. 8ᵒC), załącza pompę solarną i ciepło z kolektorów transportowane jest do wody użytkowej.
Przykładowo, jeśli woda w zbiorniku ma temperaturę 20ᵒC, a temperatura „glikolu” w kolektorach wynosi 28ᵒC lub więcej (różnica temperatur: >8ᵒC), regulator załączy pompę.
Jeśli różnica temperatur będzie mała, ok. 4ᵒC lub mniejsza – regulator wyłączy pompę solarną (np. temperatura „glikolu” 45ᵒC, temperatura c.w.u.: 41ᵒC – różnica temperatur: 4ᵒC).

Różnicę temperatur załączenia i wyłączenia instalacji solarnej (pompy), ustawia się na regulatorze. Powinna być odpowiednia dla danej instalacji.

Regulator może posiadać również inne funkcje, które np. chronią instalację przed przegrzewami, pozwalają usuwać nadmiar ciepła ze zbiornika, czy optymalizują pracę pompy solarnej.