Elementy instalacji

Podstawowym elementem instalacji solarnej są kolektory słoneczne, montowane najczęściej na dachach budynków mieszkalnych lub gospodarczych najlepiej bezpośrednio nad punktami rozbioru wody (łazienka, kuchnia itp.). Ogranicza się w ten sposób długość rur łączących i zmniejsza straty energii cieplnej.
Montaż kolektorów na dachach wykonywany jest poprzez zabudowanie w połać dachu lub umieszczenie na specjalnych konstrukcjach wsporczych. Elementy składowe instalacji solarnych łączy się za pomocą rurociągów wykonanych najczęściej z rur miedzianych. Stosowanie rur miedzianych w instalacjach wodnych praktycznie rozwiązuje problem trwałości. Łączenie ich wykonuje się przez lutowanie miękkim lutem cynowym, a dla większych średnic twardym lutem srebrnym. Wszystkie rurociągi powinny być izolowane materiałami o przewodności cieplnej 0,03 - 0,04 W/mk i odporności na temperaturę powyżej 100^oC. Do wymuszenia obiegu medium w instalacjach cieczowych wykorzystuje się pompy napędzane elektrycznie, takie same jak w instalacjach centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Zakres wydajności czynnika i spadków ciśnienia w instalacjach solarnych jest raczej niewielki, toteż dobór wielkości pompy obiegowej nie stanowi problemu.
Po to aby energia słoneczna dostępna tylko w ciągu dnia i to z losową zmiennością mogła być efektywnie zagospodarowana w systemie grzewczym, musi być akumulowana. Do tego celu służą akumulacyjne zbiorniki wodne z izolacją termiczną wykonaną z pianki poliuretanowej albo wełny mineralnej o grubości 55 do 75 mm, zaopatrzone w rurowe, bądź płaszczowe wymienniki ciepła. W rozbudowanych instalacjach zbudowanych z kilkunastu i więcej kolektorów stosuje się wymienniki samodzielne. Mają one konstrukcję płytową bądź płaszczowo-rurową.
Instalacje solarne z pośrednim obiegiem kolektorowym wyposaża się w armaturę typową dla instalacji ciepłej wody użytkowej i centralnego ogrzewania. Przed nadmiernym ciśnieniem zabezpiecza instalację naczynie wzbiorcze i zawór bezpieczeństwa, natomiast odpowietrznik zainstalowany w szczytowych fragmentach instalacji obiegu kolektorowego pozwala na dokładne jej odpowietrzenie. Pomiędzy wylotem z kolektorów a zbiornikiem montowany jest zawór zwrotny, który ma zapobiegać ewentualnej odwrotnej cyrkulacji ciepłej wody w godzinach nocnych.
Sterowanie pracą solarnej instalacji grzewczej wymaga stosowania regulatorów współpracujących z czujnikami temperatur i uruchamiających pompę cyrkulacyjną lub elektrozawory.

Solarne systemy przygotowania ciepłej wody

Najprostszą, a zarazem najtańszą instalacją do podgrzewania wody jest instalacja grawitacyjna (termosyfonowa). W instalacjach grawitacyjnych przepływ czynnika odbywa się samoczynnie wskutek unoszenia do góry cieplejszych mas (o mniejszej gęstości). Taki obieg nie wymaga stosowania pompy obiegowej i układu automatycznego sterowania, przez co może pracować na terenach pozbawionych zasilania elektrycznego. Bardziej uniwersalne cechy użytkowe mają instalacje z wymuszonym obiegiem czynnika w układzie kolektory słoneczne - zbiornik akumulacyjny. Instalacje te mogą podgrzewać wodę bezpośrednio albo pośrednio.
Stosując obieg bezpośredni ograniczamy eksploatację instalacji do ciepłej pory roku (kwiecień - październik), a także narażamy absorber kolektora na przyśpieszone zużycie wskutek kontaktu absorbera ze zwykłą wodą.
Wad tych nie mają instalacje z obiegiem wymuszonym pośrednim. Obieg czynnika grzewczego uruchamia jednofazową pompę, której pracą steruje regulator różnicowy temperatur w kolektorze i wody w zbiorniku.
W naszej strefie klimatycznej kolektory słoneczne mogą pokryć zapotrzebowanie na energię do podgrzewania wody w około 60%, dlatego też instalacja solarna uzupełniana jest konwencjonalnym segmentem grzewczym.
Spotkać można tutaj wersję ze wspólnym zbiornikiem akumulacyjnym, gdzie w dolnej części umieszcza się wymiennik obiegu kolektorowego, a w górnej obiegu kotłowego lub grzałkę elektryczną oraz wersję z osobnymi zbiornikami akumulacyjnymi.

Dobór elementów instalacji

Ogrzewanie wody użytkowej

Przy projektowaniu małych instalacji doboru poszczególnych jej elementów można dokonać posługując się uproszczonymi zależnościami. Powierzchnia kolektorów jak i pojemność zbiornika ciepłej wody użytkowej zależy od ilości osób i wielkości rozbioru. Dla rodziny złożonej z 4 osób przy rozbiorze CWU 70 litrów na osobę otrzymamy całkowity rozbiór 280 litrów na dobę. Dobieramy zasobnik nieco większy o pojemności 300 litrów. Odpowiednio powierzchnia kolektora wynosi 1,2 do 1,5 m²/osobę. Dla rodziny 4 osobowej potrzeba około 5 m² powierzchni kolektora. Przyjmujemy 3 kolektory typu KSC-AE/200S o powierzchni 5,19 m².
Doboru pompy obiegowej i przeponowego naczynia wzbiorczego dokonujemy korzystając z podstawowych zależności:
 - pompa powinna być zdolna do pracy w zakresie temperatur wody od 0 do 100oC;
 - prędkość przepływu medium grzewczego winna zawierać się w przedziale 0,3 do 0,5 m/s, a strumień przepływu od 60 do 120 l/h;
 - spadek ciśnienia w obiegu kolektorowym powinien wynosić 1,0 do 2,5 mbar/mb rury.
Przedstawionym warunkom odpowiadają pompy centralnego ogrzewania typu UPS.
Obieg solarny powinien być tak zabezpieczony, aby przy maksymalnej temperaturze obiegu kolektorowego medium grzewcze nie zostało wyrzucone przez zawór bezpieczeństwa. Osiąga się to poprzez odpowiedni dobór przeponowego naczynia wzbiorczego. Pojemność takiego naczynia powinna odpowiadać w przybliżeniu pojemności obiegu pierwotnego, tj. sumy pojemności kolektorów, rurociągu i wymiennika ciepła w zbiorniku akumulacyjnym. Ponadto w układach solarnych należy stosować zawory bezpieczeństwa praktycznie na maksymalne ciśnienie 6 bar. Pokrycie zapotrzebowania na energię przez kolektory słoneczne dla omawianego przykładu, tj. 4 osoby: 3 kolektory, zasobnik 300l.

Zakładając średnie, dobowe zużycie CWU na poziomie 50-75 l/osobę należy dobrać:

Ogrzewanie wody w basenach

Coraz częściej kolektory słoneczne wykorzystuje się do podgrzewania wody w basenach kąpielowych. Utrzymanie temperatury 23 - 24^oC w okresie czerwiec-sierpień wymaga zainstalowania 0,8 - 0,9 m² kolektora na 1m² basenu bez osłony termicznej. Dla basenów z osłoną termiczną wystarczy 0,4 - 0,6 m² kolektora na 1m² basenu.

Wspomaganie układu centralnego ogrzewania

Dogrzewanie pomieszczeń z zastosowaniem układu solarnego jest najbardziej wydajne w okresach przejściowych (marzec-kwiecień, wrzesień-październik). Istotną rolę odgrywa tutaj rodzaj zastosowanego systemu grzewczego. Kolektory słoneczne wykazują najwyższą wydajność współpracując z ogrzewaniem niskotemperaturowym - podłogowym oraz  ściennym. Średnio przyjmuje się 1 m² kolektora słonecznego na 10 m² powierzchni ogrzewanej.