Najczęściej instalacje solarne wykorzystywane są do podgrzewania wody użytkowej. W niewielkich domach jedno- lub wielorodzinnych ciepła woda przygotowywana jest w podgrzewaczach biwalentnych, wyposażonych w dwa wymienniki ciepła.

W dolnej części podgrzewacza znajduje się wymiennik ciepła, w którym woda jest podgrzewana z wykorzystaniem kolektorów słonecznych, w jego górnej części zaś znajduje się wymiennik ciepła, w którym woda jest podgrzewana z dodatkowego, wspomagającego źródła ciepła np. podczas pochmurnych dni. Wyższą wydajność w porównaniu z podgrzewaczami biwalentnymi wężownicowymi typu Logalux SM osiąga się za pomocą systemów ładowania, w których zawartość podgrzewacza nie jest podgrzewana w całej objętości, a warstwowo (od góry do dołu), jak w podgrzewaczach biwalentnych z syfonem termicznym typu Logalux SL (rys. 4). W podgrzewaczach tego typu (rys. 1) wymiennik ciepła słoneczny (8) podgrzewa jedynie stosunkowo małą ilość wody do temperatury w przybliżeniu równej temperaturze zasilania obiegu słonecznego. Podgrzana woda unosi się ku górze w kierowniczej rurze ciepła (6) do obszaru wyjścia z podgrzewacza (3). Przy normalnym promieniowaniu słonecznym, już po krótkim czasie jest osiągana zadana temperatura i podgrzewanie wspomagające (5) dodatkowego źródła ciepła jest rzadko wymagane.

Rys 1. Budowa biwalentnego podgrzewacza c.w.u. typu Logalux SL ładowanego warstwowo poprzez syfon termiczny.
Obj.: 1 – anoda magnezowa; 2 – izolacja cieplna; 3 – wylot ciepłej wody; 4 – zbiornik wody użytkowej; 5 – górny wymiennik ciepła dla dodatkowego źródła ciepła; 6 – rura kierownicza odprowadzająca ciepłą wodę; 7 – klapa grawitacyjna; 8 – wymiennik ciepła słoneczny; 9 – wylot zimnej wody

Kiedy promieniowanie słoneczne jest intensywne, woda podgrzana przez wymiennik ciepła słonecznego (8) szybko unosi się ku górze do chwili osiągnięcia danej warstwy o takiej samej temperaturze (rys. 2, poz. 1). Następnie otwierają się odpowiednie przepustnice zwrotne, sterowane siłą wyporu tak, że zasobnik jest ładowany od góry do dołu w sposób uwarstwiony.

W przypadku niewielkiego promieniowania słonecznego woda podgrzewana jest przykładowo do temperatury 30°C, unosi się również tylko do warstwy o tej temperaturze. Następnie przepływa przez otwarte przepustnice zwrotne podgrzewacza i podgrzewa ten obszar (rys. 3, poz. 2). Unika się tym samym dalszego przemieszczania wody w rurze kierowniczej (6) i mieszania się jej z warstwami wody o wyższej temperaturze.

2. Unoszenie podgrzanej wody z rury kierowniczej przy intensywnym promieniowaniu słonecznym

Dobór kolektorów słonecznych do małych instalacji c.w.u.
Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej jest najkorzystniejszym zastosowaniem instalacji kolektorów słonecznych (rys. 5). W okresie letnim zapotrzebowanie energetyczne procesu podgrzewania c.w.u. w pełni pokrywane jest przez instalację słoneczną (rys. 6). Pomimo tego konwencjonalne źródło ciepła powinno być przygotowane do zabezpieczenia potrzeb energetycznych, związanych z przygotowaniem c.w.u. – mogą się bowiem zdarzyć dłuższe okresy złej pogody.

Żeby w sposób optymalny dobrać wielkość powierzchni kolektorów słonecznych (1), pojemność zasobników (3) oraz rodzaj kompletnej stacji pompowej dla instalacji słonecznej (2) przeznaczonej do podgrzewania c.w.u. (rys. 5), należy uwzględnić wpływ następujących czynników:
◗ miejsce montażu instalacji słonecznej;
◗ nachylenie dachu (kąt nachylenia kolektorów – optymalny kąt w okresie jego całorocznej eksploatacji powinien wynosić ok. 40°; w przypadku innej wartości, należy zwiększyć powierzchnię kolektora o odpowiednie współczynniki korekcyjne (rys. 7);
◗ usytuowania dachu w stosunku do kierunków świata (skierowania kolektorów w kierunku południowym – kolektor słoneczny osiąga największą wydajność cieplną wtedy, kiedy jego usytuowanie nie odbiega (w granicach +/-15°) od kierunku południowego. Przy większym odchyleniu kolektora od tego kierunku, jego wydajność znacznie się zmniejsza. Żeby uzyskać tę samą wydajność co z kierunku południowego, powierzchnię kolektora słonecznego należy powiększyć o odpowiednie współczynniki korekcyjne (rys. 8). Z rysunku tego wynika również, że odchylenie kolektora od kierunku południowego w kierunku zachodnim jest korzystniejsze niż w kierunku wschodnim;
◗ wielkość oraz rozkład czasowego zużycia c.w.u.

5. Przykładowy schemat instalacji słonecznej współpracującej z konwencjonalnym źródłem energii. Oznaczenia: 1 – kolektory słoneczne; 2 – kompletna stacja pompowa instalacji słonecznej; 3 – biwalentny zasobnik c.w.u. Dolny wymiennik ciepła (wężownica) instalacji słonecznej, górny instalacji konwencjalnego źródła energii; 4 – konwencjonalne źródło energii (kocioł gazowy/olejowy)

Ważne jest w tym przypadku ustalenie, ile osób zamieszkuje w danym budynku oraz jakie jest dzienne, średnie zużycie c.w.u. Dla zapotrzebowania c.w.u. obowiązują następujące wskaźniki zużycia, dla temperatury poboru c.w.u. wynoszącej 45°C:
◗ niskie zużycie: 40 l na osobę dziennie,
◗ średnie zużycie: 50 l na osobę dziennie (najczęściej używana wartość rachunkowa),
◗ wysokie zużycie: 75 l na osobę dziennie.

W przypadku, gdy w budynku znajdują się zmywarki lub pralki, zużywające c.w.u. podgrzewaną przez instalację słoneczną, w czteroosobowym gospodarstwie domowym należy dodać 50 l na każde urządzenie na dzień, jako wielkość zużycia c.w.u.

Na rysunku 9 przedstawiono diagram (wyznaczony na podstawie programu Solad do doboru kolektorów słonecznych firmy Buderus) doboru kolektorów słonecznych płaskich typu Logasol CKN1.0 dla domów jedno- i dwurodzinnych.

8. Współczynniki korekcyjne dla płaskich kolektorów słonecznych w zależności od kierunku świata

Bazuje on na następujących założeniach:
◗ kolektory skierowane na południe (w przypadku innego kierunku należy zastosować współczynnik korekcyjny (rys. 8),
◗ kąt nachylenia kolektorów słonecznych 45° (w przypadku innego kąta należy zastosować współczynnik korekcyjny (rys. 7),
◗ miejsce montażu instalacji: Gdańsk,
◗ temperatura c.w.u. 45°C,
◗ przy określeniu liczby kolektorów słonecznych uzyskuje się ok. 55% pokrycie zapotrzebowania na c.w.u. przez instalację słoneczną.

...pełna wersja artykułu w PI 9/12