Izolacje w instalacjach słonecznych

Kolektory słoneczne są urządzeniami grzewczymi wykorzystującymi zjawisko konwersji fototermicznej, czyli zamianę promieniowania słonecznego na energię cieplną. Każda forma zamiany lub transportu ciepła wymaga zastosowania odpowiednich systemów izolacyjnych, ponieważ z tym wiąże się sprawność energetyczna urządzenia. Kolektory słoneczne jako rozwiązanie użytkowe, opatentowane w 1891 roku w Stanach Zjednoczonych, miały prymitywną izolację, polegającą na osłonie elementów metalowych drewnianą obudową z przegrodą szklaną. W taki sposób po raz pierwszy wykorzystano tzw. efekt cieplarniany.

Rozwiązanie to przetrwało do 1973 roku, kiedy to wybuchł pierwszy światowy kryzys energetyczny. Wtedy właśnie pojawiły się rozwiązania oparte na wykorzystaniu płaskich kolektorów słonecznych, które były modyfikacją pierwszych rozwiązań. Kolektory skrzynkowe zostały "spłaszczone". Skrzynkę drewnianą zamieniono na obudowę aluminiową, do wnętrza której włożono grubą warstwę wełny mineralnej (ok. 10-15 cm, w zależności od typu rozwiązania).

Kolektor od góry miał przegrodę szklaną, zaś pod szybą umieszczony był miedziany, poczerniony absorber, którego zadaniem było przechwytywanie promieniowania słonecznego. Od spodu absorbera umieszczone były miedziane rurki, którymi transportowany był czynnik roboczy (związki glikolu lub alkoholu), odbierający i przekazujący pozyskane ciepło do wymiennika pojemnościowego. Od spodu i po bokach metalowej skrzynki umieszczona była warstwa izolacyjna, która zabezpieczała przed stratami ciepła do otoczenia. O izolacyjności decydowała nie tylko grubość warstwy izolacyjnej, ale i niska wilgotność we wnętrzu kolektora. Warstwę izolacyjną z wełny mineralnej zastępowano pianką poliuretanową lub poliestrową, styropianem albo zestawami warstwowymi.

Gdy rozpracowano problem izolacji pod absorberem, producenci zaczęli uwzględniać optymalny dobór izolacji transparentnej, czyli przegrody szklanej. Pierwsze rozwiązania z zastosowaniem jednej warstwy szybowej okazały się najbardziej trafne. Nie oznacza to, iż nie zajęto się izolacją w układzie szyb dwuwarstwowych lub nawet trójwarstwowych. Niestety, okazało się, że im większa jest liczba szyb, tym większa jest ilość odbitej energii słonecznej i tym mniejsza ilość energii dociera do absorbera.

Sprawność kolektora płaskiego z jedną przegrodą szklaną wynosi ok. 72-78%, przy szkle grubości 3-4 mm. Jednak lepsze efekty izolacyjne uzyskuje się w kolektorach próżniowych, gdzie tak naprawdę izolacją jest wysoka próżnia, zaś powłoka szklana ma grubość 0,8 mm. Straty ciepła w instalacjach słonecznych wynikają ze strat na poszczególnych elementach układu solarnego. Największe straty ciepła pojawiają się na elementach instalacji słonecznej znajdującej się na zewnątrz budynku. Wynika to nie tylko z konieczności stykania się z różnymi warunkami atmosferycznymi, ale przede wszystkim jest związane z oddziaływaniem wiatru, który może w krótkim okresie czasu odebrać znaczną ilość zgromadzonego ciepła.

Z tego też powodu bardzo ważne są nie tylko izolacje w samych kolektorach, ale też izolacje elementów łączących kolektory i separator lub odpowietrznik na wypływie z kolektorów. Miejsce wypływu czynnika roboczego z kolektora jest najbardziej gorącym elementem układu solarnego. W okresie letnim na wylocie z kolektora może pojawić się temperatura rzędu 125-135°C, zaś w okresie zimy 30-45°C. Jaka powinna być zatem izolacja, która z jednej strony musi wytrzymać > 170°C jako maksimum i > –40°C jako minimum? Takim materiałem jest elastomer typu HT.

Co ciekawe, mało osób wie, że jest to polski wynalazek grupy inżynierów z lat 70. XX wieku z zakładów Pafawag we Wrocławiu. Izolacja instalacji jedynie na odcinku zlokalizowanym na zewnątrz budynku powinna mieć grubość minimum 12 mm, a najlepiej 19 mm, pozostała izolacja może mieć natomiast grubość 9 mm. Izolacja powinna obejmować zarówno instalację wylotową, tzw. zasilanie, jak również instalację dolotową, tzw. powrót.

W praktyce spotyka się rurowe osłony izolacyjne jako zwarte izolacje rurowe. Aby założyć izolację na zainstalowany układ grzewczy zachodzi konieczność rozcięcia izolacji. Izolacja taka, niestety, nie ma żadnych elementów służących do zamknięcia połączenia. Jedyną skuteczną metodą zaizolowania jest właściwy dobór grubości izolacji do średnicy izolowanej rury, a także właściwe dociśnięcie ścianek i ich sklejenie zbrojoną taśmą poliuretanową (najlepiej w tym samym, czarnym kolorze).

Elementy metalowe o różnych kształtach (np. śrubunek) można zaizolować izolacją o większej grubości, a całość można zabezpieczyć taśmą izolacyjną. Można również stosować kleje szybkowiążące, ale operacja taka wymaga dużej wprawy, bardzo dokładnego rozcinania rur i właściwego posługiwania się klejem. W instalacjach słonecznych spotkałem się również ze specjalnymi spinkami łączącymi rozcięcie izolacji, ale w miejscach narażonych na działanie czynników atmosferycznych spinkowe zamknięcie izolacji nie sprawdza się, ponieważ z biegiem czasu powstają rozwarstwienia, czyli mówiąc potocznie, dziury w izolacji.

Czy brak kawałka izolacji na rurze na dachu może osłabić wydajność instalacji słonecznej? Oczywiście, że tak. Ale należy pamiętać, że brak izolacji na rurze wylotowej powoduje zakłócenie pracy czujki pomiarowej na tym odcinku, gdzie z powodu dużego ryzyka narażenia na działanie wiatru i deszczu, a w zimie śniegu i lodu, mogą powstać zafałszowane wyniki w działaniu sterownika, a tym samym w pracy instalacji słonecznej.

Nie wszyscy instalatorzy stosują właściwą izolację rur instalacji słonecznych. Czasami używają do tego zwykłej izolacji poliuretanowej > 95°C. W wyniku zastosowania takiej izolacji oraz wskutek powstania zjawiska "przegrzania instalacji słonecznej" [1] następuje stopienie izolacji. Takie błędy, niestety, w ostatnim okresie pojawiają się dość często, szczególnie w małych miejscowościach, gdzie brakuje profesjonalnych firm, a zaopatrzenie się w specjalistyczne materiały izolacyjne jest dość trudne. Należy nadto zwrócić uwagę, że, niestety, w parze z jakością idzie wzrost cen. Profesjonalne izolacje z pianki elastomerowej typu HT są trzykrotnie droższe niż popularne materiały, ale za to skutecznie zabezpieczają instalacje słoneczne.

Należy zaznaczyć, że energia słoneczna jest przekazywana do zasobnika pojemnościowego, gdzie, niczym energia elektryczna w akumulatorze, gromadzona jest na kilka godzin do dalszego rozbioru. Zbiorniki mają różną budowę i różny rodzaj powłok termicznych. W praktyce izolacja termiczna zbiornika nie powinna powodować większego zmniejszenia temperatury niż o 1°C na dobę. Współczynnik przewodzenia ciepła przy średniej temperaturze +10°C (DIN 52613) λ₁₀ = 0,038 W/(m²·K), zaś współczynnik oporu przeciw dyfuzji pary wodnej m³ 10 000 w zakresie temperatur od –40° do +175°C.

Izolacje typu high temperature (wysokich temperatur lub prościej gorące) sprzedawane są w odcinkach po 2 m.

Zakres informacji i materiałów dotyczących poruszanego tematu jest bardzo szeroki i nie można go omówić w jednym artykule. Jeżeli temat instalacji wykorzystujących odnawialne źródła energii z zastosowaniem odpowiednich izolacji znajdzie zainteresowanie czytelników, z pewnością będzie można go rozwinąć i omówić więcej szczegółów. Należy jednak pamiętać, że tematy, które wydają się bardzo proste, wcale takie nie są.

Dzięki izolacjom możemy zaoszczędzić, a w wypadku ich braku stracić, wiele energii i pieniędzy. Jest to szczególnie ważne w instalacjach pracujących w granicach swoich możliwości. Właściwy rodzaj izolacji i właściwy sposób ich wykonania można również traktować jako sposób na zwiększenie wydajności instalacji solarnej poprzez zwiększenie jej sprawności, a tak naprawdę poprzez zminimalizowanie strat termicznych.

Literatura

1. Z. Grzegorzewski, "Cienkowarstwowe przepływowe kolektory słoneczne DISTANTIA MINIMALIS konstrukcja i badanie efektywności", praca doktorska obroniona w IPPT PAN ZPE-B.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!