WIELKOPOWIERZCHNIOWE SŁONECZNE SYSTEMY GRZEW- GRZEW-CZE

Sukces we wdrażaniu w Polsce słonecznych systemów grzewczych w znacznej mierze wynika z programów sprowadzających się, w mniejszym czy większym stopniu, do udzielania dotacji. W efekcie opłacalność dla inwestora jest bezsporna. Nie zwalnia to jednak z potrzeby oceny wydajności energetycznej tych rozwiązań. Więcej, zaangażowanie publicznych środków zobowiązuje do kontrolowania rzeczywiście osiąganych efektów energetycznych, a co za tym idzie także ekologicznych.

Samo pojęcie wydajności instalacji słonecznej nie jest jednoznaczne. Najprościej wydajność ustalić na podstawie ilości ciepła odbieranego z pola kolektorów w badanym okresie. Monitoruje się temperatury czynnika przed i za kolektorami lub, co bardziej mia-rodajne, na wymienniku ciepła, a ponadto natężenie przepływu. Wynik oceny zależy jesz-cze od metody kwalifikacji pozyskanej energii słonecznej – przykładowo według klasycz-nej koncepcji nie jest wliczana do bilansu energia dostarczana do zbiornika przy temperatu-rach przekraczających poziom nominalny [1]. W metodyce oceny efektów eksploatacji instalacji słonecznej zwykle uznaje się, że zbilansowana energia dostarczona przez kolek-tory do zbiornika jest w pełni energią użyteczną, to znaczy jest ekwiwalentem energii

kon-144 D. Czekalski, P.Obstawski wencjonalnej używanej w systemie. W rzeczywistości energii wyprodukowanej przez ko-lektory słoneczne nie można automatycznie utożsamiać z oszczędnościami paliw stosowa-nych w systemie. Wynika to z faktu, że dostarczanie energii z segmentu słonecznego od-bywa się bez związku z bieżącym zapotrzebowania na ciepłą wodę, natomiast dogrzew konwencjonalny dostosowany jest do aktualnego zapotrzebowania. Segment słoneczny może zatem produkować okresowo energię w nadmiarze co prowadzi do przegrzewów i wzmożonych strat, zwłaszcza gdy systemie ciepłej wody stosowana jest cyrkulacja we-wnętrzna.

Opisane wyżej dylematy metodyczne w mniejszym stopniu dotyczą instalacji wielkopowierzchniowych. W Polsce za takie uchodzą umownie systemy o powierzchni kolektorów przekraczającej 100 m². Zwykle projektowane są z priorytetem osiągania wy-sokiej wydajności jednostkowej kolektorów (np. w kWh/m²), a na drugim planie jest pro-centowy udział energii słonecznej w pokryciu łącznego zapotrzebowania. Jednocześnie wielkość instalacji w odniesieniu do dobowego zużycia ciepłej wody w obiekcie jest tak dobierana aby unikać przegrzewów prowadzących do tak uciążliwych w eksploatacji za-powietrzeń. Często też powierzchnia pól kolektorów limitowana jest rozmiarami i układem dachu, czy też dostępem do niezacienianego terenu pod konstrukcje wolnostojącą. W efek-cie w wielkopowierzchniowych słonecznych systemach grzewczych rzadko energia z ko-lektorów dostarczana jest przy temperaturach w zbiornikach przekraczających wartość nominalną. Można wówczas z dużym prawdopodobieństwem zakładać, że energia dostar-czona przez kolektory jest w pełni energią użyteczną, to znaczy jest ekwiwalentem energii konwencjonalnej używanej w systemie.

2. CHARAKTERYSTYKA OBIEKTU BADAŃ

Badany system grzewczy [2] wspomagany instalacją słoneczną znajduje się w Domu Pomocy Społecznej w Mieni (rys. 1) położonej ok. 8 km od Mińska Mazowiec-kiego. Dom Pomocy przeznaczony jest dla osób wymagających całodobowej opieki. Ośro-dek dysponuje 180 miejscami w kompleksie 4 wolnostojących budynków. W obsłudze zatrudnionych jest ok. 130 osób (w 3 zmianach). Podstawowym źródłem ciepła są dwa kotły olejowe o mocy 405 kW każdy. W roku 2006 w instalację ciepłej wody użytkowej wbudowano instalację słoneczną złożoną z 96 kolektorów płaskich cieczowych typu 2000 S/P z absorberem o powierzchni 1,8 m² (łączna powierzchnia grzewcza kolektorów to 172,8 m²). Zainstalowane zostały na płaskim dachu jednego z pawilonów pod kątem 45º względem płaszczyzny horyzontalnej w kierunku południowym (rys. 2). W założeniach projektowych średnie miesięczne zużycie wody o temperaturze nominalnej 55^oC przyjęto na poziomie 500 m³. Instalacja kolektorów łączy się z instalacją w kotłowi preizolowanymi rurami miedzianymi. W pomieszczeniu kotłowni znajdują się połączone szeregowo 4 za-sobniki akumulacyjne o objętości 2000 dm³ każdy. Obieg kolektorowy oddzielono od obiegu wody użytkowej płytowym wymiennikiem ciepła (rys. 3). Do oceny wydajności segmentu słonecznego służą czujniki temperatur oraz ultradźwiękowy przetwornik prze-pływu SONO 2500 CT połączone z przelicznikiem ciepła INFOCAL 5 posiadającym 24 miesięczną pamięć rejestracji.

Ocena wydajności wielkopowierzchniowej... 145

Rys. 1. Budynek główny DPS w Mieni Fig. 1. The main building in Mienia DPS

Rys. 2. Sekcja płaskich kolektorów słonecznych na dachu budynku B Fig. 2. Flat plate solar collectors on the roof

Rys. 3. Węzeł cieplny systemu przygotowania ciepłej wody Fig. 3. Hot water distribution centre

146 D. Czekalski, P.Obstawski 3. WYDAJNOŚĆ INSTALACJI SŁONECZNEJ

Badania wydajności instalacji słonecznej w DPS w Mieni objęły jeden pełny rok 2009 [2]. W obiekcie tym zużycie ciepłej wody jest bardzo stabilne i wynosi 13 ÷ 15 m³ na dobę, rzadko nie mieszcząc się w tych granicach. W przebiegu warunków słonecznych w 2009 roku wystąpiły dwa nietypowe zjawiska (rys. 4). W kwietniu zanotowano rekor-dowo wysoką sumę promieniowania i w konsekwencji był to miesiąc o najlepszych warun-kach słonecznych w tym roku. Natomiast w czerwcu warunki słoneczne zdecydowanie odbiegały na minus od przeciętnie spotykanych w tym miesiącu. Suma roczna promienio-wania ostatecznie była zbliżona do średniej wieloletniej. Produkcja ciepła przez segment słoneczny ujęta w przedziałach miesięcznych ma bezpośredni związek z napromieniowaniem słonecznym kolektorów. Najwyższą, niemal identyczną, wydajność uzyskano w kwietniu, maju, lipcu i sierpniu - jednostkowo w granicach 94÷98 kWh/m². Zgodnie z charakterem polskiego klimatu efekty pozyskiwania energii słonecznej w listopadzie, grudniu, styczniu oraz lutym były znikome (rys. 4).

Rys. 4. Cieplna wydajność jednostkowa segmentu słonecznego Fig. 4. Thermal output per solar collectors unit area

Sprawność konwersji energii promieniowania słonecznego w badanym systemie osiąga wysoki poziom (rys. 5), przekraczający w miesiącach letnich 60%. W skali całego roku 2009 sprawność wyniosła 55%. Jednocześnie wyliczono, że udział energii słonecznej w procesie przygotowania ciepłej wody dochodził do 75 % w lipcu i sierpniu, a w skali roku wyniósł ok. 40%. Ponieważ nie wyposażono systemu w oddzielny układ do pomiaru produkcji energii przez kotły olejowe na potrzeby ciepłej wody, to określenie udziału ener-gii słonecznej jest hipotetyczne i opiera się na pewnych założeniach co do jednostkowej energochłonności brutto podgrzewania wody. Tym bardziej trudno ocenić w jakim stopniu

Ocena wydajności wielkopowierzchniowej... 147 pozyskiwanie energii słonecznej zmniejsza zużycie oleju opałowego jako paliwa podsta-wowego.

Rys. 5. Sprawność konwersji energii promieniowania słonecznego Fig 5. Solar energy conversion efficiency