Spolehlivost provozu solárních termických soustav

Informační věstník č. 34

Březen 2009

Spolehlivost provozu solárních termických soustav Základní a doplňující informace najdete v informačním věstníku Spolkového průmyslového svazu (SPS) č. 17 „Solární termické soustavy“ část 1, 2 a 3 a informačním věstníku SPS č. 27 „Solární podpora vytápění“ část 1 a 2. Tento informační věstník SPS se zaměřuje na oblast rodinných domů.

1. Úvod Solární termické soustavy jsou součástí moderní topné techniky a redukují spotřebu fosilní energie. To chrání životní prostředí a snižuje energetické náklady. Vývoj jde přitom k větším kolektorovým plochám; téměř polovina nově zhotovených zařízení slouží i pro podporu vytápění. Moderní ploché kolektory jsou navíc velmi efektivní: Běžné ploché kolektory dosahují na zkušebně stagnační teploty výrazně přes 200°C, u vakuových trubicových kolektorů leží nad hodnotou 260°C. Zvláštností solární techniky je zdroj energie, protože přísun sluneční energie – „hořák“ – se nedá vypnout. Stav provozu, při kterém se kolektory a části solárního okruhu zahřívají až na stagnační teplotu, je proto normální. Solární termické soustavy musí mít provedení s vnitřním zabezpečením, tzn. že všechny provozní stavy musí probíhat samostatně a bez zásahů zvenčí. Jen u solárních zařízení, která jsou vnitřně zabezpečena, je dlouhodobě zaručen spolehlivý bezporuchový provoz. V praxi předešlých let vyšlo najevo, které koncepce zařízení mají obzvlášť spolehlivý provoz, jak lze snížit zatížení a zabránit problémům. Tento informační věstník shrnuje zkušenosti a ukazuje, jak je možné provozovat solární termické soustavy spolehlivě více než 20 let.

2 Stagnační chování solárních termických soustav 2.1 Odstávka zařízení v případě slunečního záření Odstávka zařízení v případě slunečního záření označovaná také jako stagnace, vede ke zvýšení teploty v kolektoru až na maximální teplotu, při které se vyrovává energetický zisk a ztráta. V kolektorech se přitom dosahuje teplot, které zpravidla překračují bod varu solární kapaliny. Důvodem pro odstávku zařízení v případě slunečního záření je většinou plný zásobník. Ale příčinou stagnace může být i výpadek elektřiny nebo technické poruchy. Tvorba páry v kolektoru se pokládá za „normální provozní stav“ a to nezávisle na druhu kolektoru, velikosti kolektorové plochy a způsobu provozu (podpora vytápění, ohřev pitné vody). 1

Koncepce, podle které se pomocí vysokého tlaku posune v systému okamžik varu a tím tvorby páry co nejdál nebo se mu zcela zabrání, se v praxi neosvědčil a proto ho zde dále nesledujeme. Případ stagnace vede k zatížením komponentů a solární kapaliny: – tvorba páry v kolektoru a vedlejším solárním okruhu – zrychlené stárnutí solární kapaliny

2.2 Objem páry Tvorba páry v kolektoru se stává rizikem jen tehdy, když vyrobený objem páry při roztažení tepelně přetěžuje komponenty zařízení. Proto záleží na tom, aby se objem páry udržoval co nejnižší. Množství vyrobené páry je závislé na délce trvání varu solární kapaliny. Čím déle tedy během stagnace ve výrobníku tepla (kolektoru) zůstává, tím větší je objem páry (více k tomuto tématu v odstavci 3.1Hydraulika). Mimoto se musí dát cíleně roztáhnout parní bublina, aniž by přitom docházelo k tepelnému přetížení částí zařízení. Vhodným dimenzováním a uspořádáním příslušných komponentů nebude mít tvorba páry v případě stagnace dopad na funkčnost zařízení (více k tomuto tématu v odstavci 5.2 Membránová tlaková expanzní nádoba a 5.3 Předřazená nádoba).

2.3 Stárnutí solární kapaliny Jakmile se začne tvořit pára, výrazně se zvyšuje tlak v systému a důsledkem toho stoupá i teplota varu solární kapaliny. U směsí na bázi propylenglykolu, které jsou na trhu běžně dostupné, začíná při přehřátí pomalý rozklad (respektujte údaje výrobce). Čím vyšší je teplota kapaliny, tím rychleji probíhají tyto procesy rozkladu. Během tepelného zatížení dochází k chemickým reakcím, které vedou k tvorbě organických kyselin. Alkalické složky, které se přidávají do kapaliny, neutralizují tyto kyseliny, tím se ale časem spotřebují. Dodatečným zatížením teplonosného média je v této souvislosti kyslík. Ten způsobuje, že se rychleji rozkládají inhibitory, což vede k akumulování kyseliny. Kromě atmosférického kyslíku, který se sem dostane při plnění, se zde musí přihlédnout i k oxidům z okují v solárním okruhu. Navíc se ukázalo, že nelze spolehlivě vyloučit ani to, že sem kyslík vnikne přes těsnění (více k tomuto tématu v odstavci 4.3 Spoje).

Okuje jako zdroj kyslíku Často nepozorovanou příčinou pro kyslík v solárním okruhu jsou okuje na vnitřních plochách měděných potrubí, popř. i v kolektoru. Zaprvé tyto okuje vznikají při pájení, zadruhé může vést k jejich tvorbě i záření slunce na prázdný kolektor. To je potom ten případ, když je nenaplněný kolektor nechráněný, tzn. že je delší dobu bez zakrytí vystaven záření. Pokud se nedá s jistotou vyloučit tvorba okují, musí se při vyplachování dbát na pečlivé odstranění těchto nečistot (více k tomuto tématu v odstavci 6.1 Plnění a vypláchnutí).

V nepříznivém případě se sejdou obě zatížení - přehřátí a oxidace. Ochraňující složky se potom velmi rychle spotřebují, kapalina přestárne. Potom se solární kapalina nestane jen korozivní (překyselení), ale dojde i k rozložení dehtových částic, které už nejsou rozpustné v kapalině a tak vedou ke slepeninám v solárním okruhu až po zničení solárního zařízení.

2

Solární kapalina: Výchozí stav (pH 8.2) a vpravo silně zastaralá (pH 6,8)

Zničená solární kapalina s nerozpustnými produkty rozkladu

2.4 Nebezpečí rozpoznáno, nebezpečí zažehnáno Dobré solární tepelné zařízení má systémový tlak přizpůsobý budově, rychlovyprazdňující se kolektorové pole a důsledné odpařování solární kapaliny v běžném provozu. V takových zařízeních má solární kapalina velmi dlouhou životnost. Aby se zajistil trvale spolehlivý provoz, musí se pravidelně kontrolovat stav stárnutí solární kapaliny. Jako měřítko toho se v praxi osvědčila hodnota pH, která musí být v alkalické oblasti (pH > 7,0 - přihlédnutí k údajům výrobce). Nad touto hodnotou je riziko koroze výrazně sníženo, pod ní už nemá solární kapalina dostatečný protikorozivní ochranný účinek a musí se vyměnit (více k tomuto tématu v odstavci 7.3 Solární kapalina).

3 Kolektorové pole 3.1 Hydraulika Rozhodující význam pro chování zařízení v případě stagnace je hydraulické zapojení kolektorů do solárního okruhu. Zásadně se rozdělují na prázdná natlakovaná a vřící kolektorová pole. V prázdném natlakovaném kolektorovém poli poměrně rychle vytlačuje teplonosné médium z kolektoru tvořící se parní bublina přes přívodní a vratné potrubí. Čím rychleji tento proces proběhne, tím menší je tepelné

Princip: Prázdný natlakovaný kolektor

Princip: Kolektor tlačící na prázdno

Prázdné natlakované kolektorové pole s klesajícím potrubím – směrem od kolektorových přípojek

3

zatížení kapaliny a vznikající objem páry s přiměřeně malými dosahy páry. Je-li kolektor zcela naplněn parou, ohřeje se až na stagnační teplotu a zůstává v tomto stavu, dokud se záření nesníží a parní bublina nezkondenzuje. Objem vytlačený z kolektoru a nejbližších přípojných potrubí pohlcuje membránová tlaková expanzní nádoba a v případě kondenzace parní bubliny ho znovu tlačí do solárního okruhu. Zařízení je tak znovu připraveno k provozu. Na rozdíl od toho - v případě vřícího kolektorového pole nevytlačí parní bublina teplonosné médium z kolektoru (úplně), ale může se z kolektoru

Princip: Vřící kolektor

Vřící kolektorové pole s klesajícím potrubím – směrem od kolektorových přípojek

dostat jen ve formě páry, tzn. že se vaří a odpařuje úměrně tomu dále. Při použití teplonosných médií s obsahem glykolu dochází na základě vyššího bodu varu glykolu k nakoncentrování, přičemž se neustále dále zvyšuje bod varu a přiměřeně stoupá tepelné zatížení kapaliny. Kromě toho je u vřících kolektorových polí maximální objem páry výrazně vyšší než u prázdných natlakovaných kolektorových polí. Pokud se však dobrá, prázdná natlakovaná kolektorová pole nevhodně hydraulicky zapojí, tvoří se „pytle teplonosné kapaliny“, ze kterých během stagnační fáze neustále teče kapalina do kolektoru a tam může vytvářet novou páru. Čím důslednější vyprázdnění hydraulické zapojení kolektorů (klesající potrubí) umožňuje, tím méně je systém zatížen. Alternativní teplonosná média V praxi se jako teplonosné médium osvědčilo použití směsí propylenglykolu a vody a nejvíce se prosadilo na trhu. Nabízejí se však i alternativy. Termoolej Teplotně stálé oleje mají s ohledem na tepelnou zátěž sice výhody, ale v praktickém použití se hůře udržují. Navíc mají menší tepelnou kapacitu než směsi propylenglykolu a vody a jsou mnohem dražší. Voda Systémy, které používají jako teplonosné médium vodu, musí zajistit ochranu proti zamrznutí přísunem tepla, tzn. že v případě mrazu se musí ohrožené oblasti s proudící vodou ohřívat. S ohledem na tvorbu páry je nutno počítat s podobnými riziky u teplotně citlivých komponentů. Iontové kapaliny Pokusy s iontovými kapalinami (solanka) nevedly k uspokojivým výsledkům a nepovažují se za vhodné pro praxi. 4

3.2 Odvzdušňovač Pokud nelze v oblasti kolektorů vynechat odvzdušňovač, doporučuje se odlučovač vzduchu s ručním odvzdušňovačem (tepelně zatížitelný). Použití automatických odvzdušňovačů je přípustné jen tehdy, pokud jsou správně teplotně odolné a po uvedení zařízení do provozu se uzavřou vhodným uzávěrem, aby se zamezilo výstupu páry. Pro potřebné pravidelné odvzdušňování se musí krátce otevřít ruční odvzdušňovač popř. uzavírací ventil. V případě špatné přístupnosti se na tomto místě odvzdušňovače nedoporučují. Další informace k tématu „odvzdušňování“ najdete v odstavcích 5.5 Odlučovače vzduchu a 6.4 Odvzdušňování.

3.3 Statika Zásadně platí: Odborný topenář přebírá s instalací solárního zařízení odpovědnost za to, že kombinace zařízení a střechy odpovídá statickým požadavkům a že střešní krytina si neomezeně zachová svoji ochrannou funkci. Statické požadavky na upevnění kolektoru podrobně popisuje norma DIN 1055. Zde najdete mimo jiné specifické údaje k návrhovým zatížením, která se musí při upevňování kolektorů respektovat, jako např. oblasti zatížení sněhem a větrem. Návrhová zatížení specifická pro konkrétní objekt jsou předpokladem pro vhodnou koncepci upevnění a musí se k nim přihlížet i při objednávání komponentů. Zejména v rohových a okrajových oblastech jakékoliv střechy není montáž kolektorů se standardním upevňovacím systémem přípustná. Zatížení větrem (vír a tlak), která se zde vyskytují, jsou výrazně větší než u ostatních částí střechy a překračují hranice statického zatížení standardních upevňovacích systémů. Za minimální vzdálenost k vnějšímu okraji střechy se pro kolektorové pole považuje jeden metr. Pokud nelze tuto minimální vzdálenost dodržet, musí se zvolit upevňovací systém po dohodě s výrobcem popř. dodavatelem.

Minimální vzdálenost kolektorového pole od okraje střechy 1 metr (výjimka: okapová oblast u nakloněných střech)

U montáže kolektorů na střechách se musí zabezpečit, aby mohla střecha na stanoveném místě unést dodatečnou zátěž (kolektor plus upevňovací systém). To platí zejména pro montáž na plochou střechu při použití zátěžového upevňovacího systému. Kromě toho se musí dbát na ochranu vnější střešní krytiny. To platí jak pro přímou montážní plochu kolektorů tak pro ostatní oblasti, na kterých se pracuje. Kromě nepromokavosti musí zůstat neomezeně zachována i vzduchotěsnost střešního pláště. To znamená, že po položení trubek solárního okruhu např. se musí po ukončení montáže ve vnitřní oblasti znovu pečlivě zapracovat spodek střechy popř. bednění nebo vzduchotěsná rovina. 5

3.4 Koroze Aby se dostatečně zohlednily statické požadavky na upevňovací systém, musí se trvale zabránit korozi. Nekorodující upevňovací materiály jako např. hliník (příp. odolný proti mořské vodě) nebo ušlechtilá ocel zde poskytují dostatečnou jistotu. Pokud se však použijí pozinkované komponenty (např. podstavce), musí se dbát na neporušenost povrchu. Následné zpracování pozinkovaných součástí (např. vrtání nebo řezání) na staveništi narušuje jejich protikorozní ochranu a kvůli nanesení ochranné barvy ji už nelze dostatečně obnovit. Pokud není možné vyhnout se následnému zpracování, musí se tato místa pravidelně kontrolovat popř. udržovat. Šrouby, podložky a matice z pozinkované oceli nejsou zpravidla vhodné pro upevňování kolektorů, protože povrchová ochranná vrstva se při použití poškodí. To vede už krátkodobě k vytváření rzi, která negativně ovlivňuje upevnění: Zrezivělé šrouby se nedají uvolnit, zrezivělé podložky vedou k uvolněným spojům.

Musí se zabránit korozi

Musí se pravidelně kontrolovat antikorozní ochrana

Riziko vytvoření koroze platí nejen pro vnější oblast, ale pod střešní krytinou se musí počítat s vlhkostí, která vede zejména při kontaktu s různými materiály k problémům s korozí (kontaktní koroze).

3.5 Azbestové střechy Pro práce na střechách, které jsou pokryty azbesto-cementovými deskami, platí v Německu TRGS 519 (Technická pravidla pro nebezpečné látky: azbest). Ty mohou proto provádět pouze firmy, které úřady příslušných Spolkových zemí schválily k provádění těchto prací. Při montáži kolektorů se musí dodržovat předpisy jednotlivých Spolkových zemí.

3.6 Ochrana před bleskem Příslušná pravidla pro ochranu před bleskem najdete v DIN EN 62305 část 3 / VDE 0185-305-3 (ochrana před bleskem, ochrana stavebních zařízení a osob) a v příloze 2 (fotovoltaické a solární termická zařízení). Požadavky na ochranu před bleskem se řídí třídou ochrany před bleskem příslušné budovy a musí se zohlednit při plánování a instalaci solárních termických soustav. Pokud je na budově ochrana proti blesku jako vnější ochrana před bleskem, musí se kolektory a jejich upevnění integrovat tak, aby bylo před přímým zásahem blesku chráněno i kolektorové pole. Proto musí být celá kolektorová plocha uvnitř smyček zařízení na ochranu před bleskem, přičemž se musí po všech stranách dodržet bezpečnostní odstup ca. 0,5 m od kolektorového pole k bleskosvodným dílům. Přesný výpočet 6

tohoto dělicího odstupu lze vyčíst z DIN ČSN EN 62305 část 3. Nedá-li se dělicí odstup ze stavebních důvodu dodržet, musí se kolektory a jejich upevnění nejkratší cestou spojit s bleskosvodnými díly (Cu-kabel s minimálně 16 mm2).

Dělicí odstup v případě zařízení na ochranu před bleskem min. 0,5 metru

Pokud je zařízení na ochranu proti blesku zastaralé a neodpovídá už normě, zaniká s montáží kolektorů stávající ochrana. V tomto případě se musí koncepce ochrany před bleskem popř. zařízení na ochranu proti blesku zcela přepracovat. K ochraně čidla kolektoru proti indukovaným přepětím lze použít zásuvku s protipřepěťovou ochranou. V případě místních blesků se mohou v kabelech čidel indukovat špičky napětí, které vedou ke zničení čidla. Pomocí ochranných diod se tato přepětí omezují na nezávadnou hodnotu. Plášť je obvykle proveden jako zásuvka na omítku a zároveň slouží řádnému propojení mezi čidlem kolektoru a pokračujícím kabelem čidla. Aby se regulace chránila před přepětími ze sítě, musí se využít koncepce, které byly vyvinuty k ochraně citlivých přístrojů (např. počítač nebo televize) (hrubá, střední, jemná ochrana). Potrubí solárního okruhu se musí v každém případě spojit s lištou hlavního vyrovnání potenciálů (Cu-kabel s nejméně 16 mm2).

4 Trubkové vedení solárního okruhu 4.1 Tepelná roztažnost Při pokládání a upevňování trubek solárního okruhu se musí dbát na tepelnou roztažnost na základě velkého teplotního rozdílu, který je u solárních zařízení u hodnoty 200 K (-25°C až > 175°C). U obvykle používané měděné trubky se musí zohlednit tepelná roztažnost 3,4 mm na metr. To platí i v kolektorovém poli, pokud se pevně spojí několik kolektorů s průchodným sběrným potrubím. Zde jsou nezbytná opatření pro kompenzaci.

4.2 Izolace Pro izolaci solárního okruhu se musí použít jen materiál s vysokou tepelnou zatížitelností (nejméně 150°C). Použije-li se tepelně zatížitelný izolační materiál z EPDM kaučuku, lze v případě stagnace akceptovat krátkodobé překročení přípustné teploty tohoto materiálu. Protože to nepředstavuje žádné nebezpečí pro provoz zařízení, ale vede jen k lehké inkrustaci na vnitřní straně (nahnědlé zabarvení) izolace a k nepatrnému zmenšení izolačního účinku. Izolace solárního okruhu se musí navíc ve venkovní oblasti chránit proti vlhkosti, UV záření a okusování drobnými zvířaty. Buď se musí dodatečně zhotovit příslušná ochrana nebo se musí izolační materiál uzpůsobit tak, aby byla ochrana zaručena. 7

Mezery u chybějící UV-odolnosti

4.3 Spoje Pro trubkové spoje v solárním okruhu jsou nejlépe vhodné kovové těsnicí systémy (kuželovitá svěrná šroubení/šroubení s řezným kroužkem). Pokud se použijí jiná těsnění (plochá těsnění, těsnicí kroužky atd.), musí být dostatečně odolné proti glykolu, tlaku a teplotě. Je nutné maximálně se vyhnout konopí, protože spoje z konopí nejsou dostatečně plynotěsné. U všech nekovových těsnění se musí počítat s difúzí vzduchu, protože jsou sice vodotěsná (zevnitř ven), nejsou však plynotěsná (zvenku dovnitř). Plyny difundují ve směru menší koncentrace, tzn. skrze těsnění do solární kapaliny. I když se jedná pouze o malá množství, dopraví se do solární kapaliny podle počtu „netěsností“ příslušné množství atmosférického kyslíku. Fyzikální hranicí této difúze je nasycení solární kapaliny v závislosti na teplotě a tlaku, které je však nežádoucí a zamezí se mu neustálým odvzdušňováním.

4.4 Kabel čidla V souvislosti s trubkovým vedením solárního okruhu se musí pečlivě osadit, upevnit a chránit čidlo a kabel čidla. Musí se přihlédnout k tomu, že kabely mohou poškodit drobná zvířata (srov. zapalovací kabel v autě), což by mohlo v případě čidla kolektoru vést k výpadku zařízení.

Jako kabel čidla mezi čidlem kolektoru a regulátorem lze použít pouze vhodné kabely. Přitom je nutné respektovat pokyny výrobce regulátoru, které lze obvykle vyčíst z návodu k obsluze.

5 Solární stanice Solární stanice, které jsou běžně k dostání, se dodávají v různých standardních velikostech jako tepelně izolační jednotky se všemi potřebnými komponenty a snižují montážní náklady na minimum. Musí se přihlédnout 8

k tomu, že solární stanice není ve stavu při dodání připravena k provozu, ale musí se vždy přizpůsobit místním danostem (čerpadlo, regulátor, membránová expanzní nádoba).

5.1 Nastavení regulace „Mozek“ solárního termického zařízení je regulace a výrobce jí dodává se standardními nastaveními. Jednotlivé regulační parametry musí být pro řádný provoz nastaveny podle příslušného zařízení. Přitom se musí přihlédnout k podkladům výrobce. Při nastavení hodnot pro zapnutí a vypnutí solárního čerpadla se musí respektovat očekávané tepelné ztráty v solárním okruhu. V průměrném rodinném domě jsou úplně normální ztráty v solárním okruhu 2–3 K, tzn. spínací hodnoty musí ležet výrazně nad touto hodnotou. S přihlédnutím k měrným tolerancím a spotřebě energie pro solární čerpadlo by měl být spínací teplotní rozdíl v tomto případě minimálně 6–7 K, aby se dosáhlo reálného energetického zisku. Rozdíl mezi hodnotou zapnutí a vypnutí (hystereze) musí být tak velký (> 2 K), aby se zabránilo cyklování čerpadla, při kterém se teplo z kolektoru vůbec nedostane až do zásobníku.

1 Ztráty v solárním výstupu 2 Minimální teplotní rozdíly na výměníku tepla

3 Zohlednění spotřeby energie solárního čerpadla

2–3 K 2–3 K 1K

4 Zohlednění měrných tolerancí čidla zásobníku a kolektoru Zapínací teplotní rozdíl

1K 6–8 K

Ovlivňující činitele pro solární regulátor

Dalším parametrem, který se má přizpůsobit, je omezení teploty v zásobníku. Vysoká maximální teplota v zásobníku (např. 80°C) zvyšuje jeho kapacitu a snižuje tím potřebu dohřevu. V tomto případě se musí pomocí termostatického směšovače omezit teplota v teplovodní síti. Malou maximální teplotu v zásobníku (< 60°C) nelze doporučit jako „ochranu proti opaření“, protože se tím snižuje kapacita zásobníku a zvyšuje se potřeba dohřevu. Navíc výrazně přibývá stagnací, které provází příslušné zátěže pro zařízení. V oblastech s velmi tvrdou vodou může však být nutné omezení na 60°C jako ochrana proti zavápnění. V tomto případě se musí koncepce zařízení 9

přizpůsobit těmto podmínkám (např. větší zásobník, menší kolektor, častější kontroly). Hodně regulací kromě toho nabízí pomocné funkce, jako např. spínání během dovolené nebo spínání chlazení. Tyto pomocné funkce zmenšují zatížení způsobená stagnací, nezbavují však povinnosti pečlivého zohlednění případu stagnace pomocí opatření, která jsou k tomu určena. Doby stagnace se pouze snižují, ale nezábrání se jim. (Prosím sledujte Informační leták SPS č. 27 část 2).

5.2 Tlaková membránová expanzní nádoba Tlaková membránová expanzní nádoba vyrovnává změny objemu teplonosného média v solárním okruhu. Nejmenší objem dosahuje teplonosné médium ve studeném stavu - při venkovních teplotách -25°C a ne snad u teploty plnění např. +20°C. Aby se tento objemový rozdíl vyrovnal, musí se v tlakové membránové expanzní nádobě nastavit při uvedení do provozu vstupní tlak o nejméně 0,3 bar nižší než je provozní tlak zařízení. Kapacita tlakové membránové expanzní nádoby musí být tak velká, aby mohla kromě v porovnání malé tepelné roztažnosti kapalného teplonosného média pojmout především objem oblastí, které jsou v případě stagnace naplněny parou (kolektor, části potrubí solárního okruhu). Přibližné pravidlo pro dimenzování najdete v části 2 informačního letáku SPS č. 17, odstavec 4.4. Důležité však je, aby se v případě pochybností zvolila větší varianta, protože (trochu) moc malá tlaková membránová expanzní nádoba vede v případě stagnace k otevření pojistného ventilu, což má dalekosáhlé následky. Vstupní tlak tlakové membránové expanzní nádoby ve stavu při dodání se nesmí bez přezkoušení převzít, ale musí se pečlivě nastavit na příslušný objekt. Pro případně potřebné zvýšení tlaku se nesmí použít vzduch, ale pouze dusík. Kyslík ze vzduchu nevede ke korozi pouze v tlakové membránové expanzní nádobě, difunduje i membránou do solární kapaliny. To vede ke klesajícímu tlaku zařízení popř. vstupnímu tlaku v tlakové membránové expanzní nádobě a urychluje stárnutí solární kapaliny (více k tomuto tématu v odstavci 6.3 Tlakový poměr). Na rozdíl od montážní polohy tlakové membránové expanzní nádoby, která je běžná při montáži topení ve směru proudění před čerpadlem (na straně sání), se u malých a středních solárních termických soustav prosadila montáž na straně tlaku. Tlaková membránová expanzní nádoba se tedy hydraulicky zapojí za čerpadlem do solárního okruhu. Přitom se musí dbát na to, aby gravitační brzda byla před tlakovou membránovou expanzní nádobou ve směru proudění, aby bylo možné vytlačit solární kapalinu v případě stagnace přes vratné potrubí do tlakové membránové expanzní nádoby. Musí se dbát na to, aby gravitační brzda byla buď dostatečně vzdálena od odbočky ke tlakové membránové expanzní nádoby nebo byla vhodná pro teploty nad 110°C.

10

pojistný ventil manometr teploměr

pevné potrubí sběrná nádobka

teploměr

gravitační brzda

solární čerpadlo

uzávěr

membránová expanzní nádoba (MEN)

uzávěr

zobrazení průtoku výstup solár

vstup solár

Montážní poloha membránové expanzní nádoby - pojistný ventil - gravitační brzda - solární čerpadlo

5.3 Předřazená nádoba Maximálně přípustnou teplotu tlakové membránové expanzní nádoby určuje membrána a leží zpravidla u 70°C. Pokud nelze s jistotou vyloučit, že kapalina s vyšší teplotou nebo dokonce párou dosáhne membránovou expanzní nádobu, musí se v připojovacím úseku vedení před membránovou expanzní nádobou instalovat předřazená nádoba. To je ze zkušenosti případ u délky celkového potrubního vedení menšího než 20 m, jak je například běžné u střešních kotelen. Orientačně se pro objem předřazené nádoby doporučuje poloviční kapacita membránové expanzní nádoby (přihlédnout k údajům výrobce).

předřazená nádoba

membránová expanzní nádoba (MEN) Pozice vestavění PŘN – MEN

5.4 Pojistný ventil Souhra vstupního tlaku membránové expanzní nádoby, provozního tlaku zařízení a reakčního tlaku pojistného ventilu v solárním okruhu představuje 11

požadovanou jistotu. Pojistný ventil musí být vhodný pro solární termické soustavy, použité teplonosné médium a pro teplotní rozsah. Reakční tlak pojistného ventilu musí být 10% nad maximálním provozním tlakem zařízení, u dalších 10% musí být potom zcela otevřen (DIN 3320). Pro dimenzování se musí vzít v úvahu maximální výkon kolektorové plochy (η0 1 000 W/m2), aby se zabezpečilo, že výsledný průtok může projít ventilem. Na výstupu pojistného ventilu se musí instalovat teplotně odolné svodné potrubí s dostatečnou jmenovitou světlostí , které ústí do tepelně zatížitelné nádoby, která může pojmout minimálně dvojnásobný obsah kolektoru. Použije-li se dodaná nádoba na kapalinu, musí se pomocí dostatečně vyměřené jímky na vodu (jednoduchý objem kolektoru) předem stanovit tepelná ochrana nádrže.

5.5 Odlučovač vzduchu Pro dlouhodobě spolehlivý provoz solárního termického zařízení je důležité neustálé odvzdušňování solárního okruhu. Z čistě fyzikálního hlediska platí: Čím vyšší je teplota kapaliny a čím menší je tlak, tím rychleji vystupují části vzduchu (uvolněné plyny, mikrobubliny). Na výstupu kolektoru popř. na nejvyšším místě za ním dochází k obojímu. Aspekty solární termické praxe však hovoří proti odvzdušňování na tomto místě (srov. odstavec 3.2 Odvzdušňovák). Protože od rychlosti proudění 0,4m/s (rychlost samoodvzdušňování) unáší vystouplé části vzduchu proud kapaliny, dá se dostatečně bezpečně odvzdušňovat i na hlouběji položených místech. V praxi se pro tento záměr osvědčilo odvzdušňování v oblasti solární stanice. Přitom se na výstupu solárního okruhu (před výměníkem tepla) integruje odlučovací nádoba na vzduch nebo vzduchový hrnec (odlučovač mikrobublin), který neustále „vyfiltrovává“ části vzduchu z proudící solární kapaliny. Dokáže-li se v případě stagnace až potud vyloučit expanze páry, může se k vyvedení vzduchu použít automatický odvzdušňovač (případně s možností odstavení). V druhém případě se použije tepelně zatížitelný ruční odvzdušňovač, který se musí pravidelně otevírat.

Odlučovací nádoba na vzduch pro svislou montáž

Vzduchový hrnec pro vodorovnou montáž

5.6 Ochrana proti tepelnému přetížení Komponenty a armatury na vstupu solární stanice nejsou vhodné pro teploty nad 110°C. Aby byly chráněny proti tepelnému přetížení v případě stagnace, umístí se ve směru proudění před gravitační brzdou. Přitom se musí zajistit, aby byly dostatečně vzdáleny od odbočky k membránové expanzní nádobě. 12

6 Uvedení do provozu V rámci uvedení do provozu se solární okruh naplní, vypláchne a provede se tlaková zkouška. Protože je to velmi důležité z hlediska spolehlivosti provozu zařízení, musí se dbát na pečlivé provedení tohoto pracovního postupu. Během realizace nesmí kolektor dodávat teplo, tzn. že kolektor se musí buď zakrýt nebo musí být záření přiměřeně slabé. Obecně se práce provádějí jen s teplonosným médiem.

6.1 Plnění a vypláchnutí Pokud se při plnění používají čerpadla s malým výkonem, musí být možné, aby unikal vzduch na nejvyšším místě / nejvyšších místech. K tomu jsou nejlépe vhodné ruční odvzdušňovače v ryze kovovém provedení. Při plnění je potom důležitá druhá osoba, která odvzdušňovač uzavře, jakmile kapalina vytéká. Alternativně lze použít tepelně zatížitelné automatické odvzdušňovače s uzávěrem, které se pak musí pro provedení tlakové zkoušky a znovu po uvedení do provozu uzavřít. V praxi se lépe osvědčila vyplachovací a plnicí jednotka s výkonným čerpadlem a velkoobjemovou zásobní nádrží. Přitom lze upustit od odvzdušnění na nejvyšším místě. Rozhodující je, aby byla rychlost proudění ve vodorovných a klesajících úsecích solárního okruhu větší než 0,4 m/s, aby bylo možné unášet s proudem vzduchové bublinky. Aby se zabránilo silnému zpěnění solární kapaliny, doporučuje se nejdříve se zaškrceným objemovým proudem pomalu naplnit systém vedení a potom postupně zvyšovat. I při zpětném natečení do plnicí nádrže se musí dávat pozor na to, aby pokud možno nevznikly žádné profuky. Hladina kapaliny nad vstupní a výstupní přípojkou by měla být vždy tak vysoká, aby byla v nádrži klidná hladina. Pozor u objektů s velkou statickou výškou! Na vysoko položených místech může kvůli vodnímu sloupci v plněném potrubí vzniknout podtlak. Tím se velmi snižuje bod varu kapaliny a může dojít i přes malou teplotu k tvorbě páry, takže se zařízení nemůže správně naplnit. Pomůže zde přiškrcení výstupu na ventilu KFE (vyp. a nap. ventil). Výstupní objemový proud se přitom maximálně snižuje, aby zůstal zachován vždy potřebný provozní tlak na manometru.

Manometr

KFE ventil

Plnící stanice

KFE ventil Škrcení na výstupu na ventilu KFE (vyp. a nap. ventil)

13

Je-li celý solární okruh včetně kolektorů naplněn teplonosnou látkou, musí se intenzivním vyplachováním (rychlost proudění > 0,4 m/s) zajistit, aby byly odstraněny veškeré nečistoty (okuje atd.) a vzduchové bublinky. Proces vyplachování musí ze zkušenosti trvat minimálně 20 minut, aby se vypláchly všechny nečistoty a vzduchové bubliny.

6.2 Provedení tlakové zkoušky Pro tlakovou zkoušku se v praxi osvědčil tento postup: • Případné automatické odvzdušňovače se musí uzavřít. • Solární okruh (včetně kolektorů) se potom plní solární kapalinou, dokud tlak nečiní 90% maximálního provozního tlaku zařízení (reakční tlak pojistného ventilu minus 10%). • Tento tlak se udržuje po dobu minimálně 30 minut. (Upozornění: Směsi glykolu se v případě prosaků chovají mnohem méně aktivně než voda). • Nakonec se provádí kontrola netěsnosti šroubových spojů a pájených popř. lisovaných spojů. • Membránová expanzní nádoba a pojistný ventil zůstávají během tlakové zkoušky integrovány. Proběhla-li tlaková zkouška s pozitivním výsledkem, nejdříve se odvzdušňuje a potom se vypuštěním solární kapaliny sníží tlak až na plnicí tlak zařízení (více k tomuto tématu v odstavci 6.3 Tlakový poměr). V jiném případě se solární kapalina vypustí natolik, aby bylo možné provést dodatečné práce. Potom se tlaková zkouška opakuje.

6.3 Tlakový poměr Za správné měřítko pro provozní tlak zařízení se pokládá to, že na nejvyšším místě systému ve studeném stavu panuje přetlak 0,7 - 1,5 bar (přihlédnout k údajům výrobce). Provozní tlak zařízení na solární stanici tedy dělá těchto 0,7 - 1,5 bar včetně vždy 0,1 bar na metr statické výšky mezi manometrem (solární stanice) a nejvyšším bodem zařízení. Na základě vzduchu, který se objeví ještě po uvedení do provozu, musí být plnicí tlak trochu větší (hodnota v praxi +0,1 bar) než provozní tlak zařízení (respektovat pokyny výrobce). Vstupní tlak v membránové expanzní nádobě se pro potřebný objem kapaliny nastaví minimálně o 0,3 bar menší než je provozní tlak zařízení. Přitom se musí zohlednit případný výškový rozdíl mezi manometrem a membránovou expanzní nádobou. Pokud se membránová expanzní nádoba instaluje např. metr pod manometrem, musí se vstupní tlak v membránové expanzní nádobě přizpůsobit provoznímu tlaku zařízení (+0,1 bar), který působí na tomto místě, tzn. vstupní tlak musí být potom jen o 0,2 bar menší než ukazuje manometr. Tento přizpůsobený tlakový poměr mezi plnicím tlakem, provozním tlakem zařízení a vstupním tlakem v membránové expanzní nádobě je předpokladem pro dlouhodobě spolehlivý provoz solárního zařízení.

14

1 Systémový tlak

na nejvyšším místě

0,7 – 1,5 bar

2 Přídavek na metr statické výšky

+ 0,1 bar

3 3 Provozní tlak

Manometr

Exp. nádoba

zařízení (manometr)

_____ bar

Provozní tlak zařízení Rezerva při naplňování kvůli odvzdušnění

_____ bar

Plnicí tlak

_____ bar

+ 0,1 bar

Provozní tlak zařízení _____ bar Odpočet pro objem v exp. nád. - 0,3 bar 4 Přídavek na metr výškového rozdílu manometru – membránové expanzní nádoby + 0,1 bar/m 5 Vstupní tlak membránové 5 expanzní nádoby _____ bar

Tlakový poměr v solárním okruhu v závislosti na statické výšce

Pokud se provozní tlak zařízení nastaví příliš malý nebo na základě netěsností nebo odvzdušnění o něco poklesne, může dojít k částečnému varu solární kapaliny během provozu zařízení. Zejména jsou ohroženy oblasti s vysokou teplotou a s poklesem tlaku na výstupu kolektorového pole popř. na nejvyšším bodě solárního okruhu. Parní bublina na tomto místě bude zmenšovat průtok nebo ho dokonce zcela přeruší. Přitom v případě nízkého provozního tlaku zařízení dochází mnohem častěji k tvorbě páry, což způsobuje stagnace.

6.4 Odvzdušnění Při uvedení do provozu se musí dbát na pečlivé odvzdušnění. Ze solární kapaliny, která se naplní předem, vystoupí obvykle ještě mikrobubliny, které se mohou na různých místech nahromadit do malých vzduchových bublin jako např. v čerpadle, ve výměníku tepla nebo před gravitační brzdou. Tyto vzduchové bublinky se musí cíleně odstraňovat. Příznaky pro dostatečné odvzdušnění systému jsou konstantní ukazovaná hodnota požadovaného objemového toku a stabilní tlak za provozu čerpadla, tzn. ani na průtokoměru ani na manometru se přitom nevyskytují odchylky. Pokud byly v oblastech zařízení, které jsou ohroženy párou, namontovány automatické odvzdušňovače, musí se pro ukončení uvedení do provozu uzavřít. Po prvních týdnech provozu se doporučuje znovu vypustit případný vzduch na všech odvzdušňovačích (více k tomuto tématu v odstavci 7.1 Rozsah kontroly).

6.5 Objemový tok Po odvzdušnění se musí v solárním okruhu nastavit požadovaný objemový tok. Podle produktu popř. systému se přitom zvolí správný stupeň čerpadla nebo vhodné nastavení regulace (respektovat údaje výrobce). Nastavení objemového toku nad omezení průtoku se nedoporučuje, protože vede ke zbytečně velké potřebě elektrické energie pro čerpadlo. 15

7 Kontrola a údržba Pro dlouhodobé udržení spolehlivého provozu a účinnosti solárního tepelného zařízení by měly probíhat pravidelné kontroly. Podle intervalu a rozsahu se potom rozdělují na roční kontroly a údržbu (každých 3 - 5 let). Uzavření smlouvy o provedení kontroly a údržby se doporučuje u všech solárních termických soustav. Navíc se doporučuje, aby se po prvních týdnech provozu provedla první kontrola důležitých funkcí zařízení. Tato dodatečná kontrola by měla patřit ke službě pro solární zařízení a může se v nabídce případně vykazovat zvlášť. V protokolu o provedené kontrole popř. údržbě se zaznamenají důležité parametry zařízení, aby bylo možné rozeznat případně problematické změny (např. provozní tlak zařízení, hodnota pH). Pro první kontrolu se musí přihlédnout k údajům (plnicí tlak, provozní tlak zařízení, nastavení regulátoru a čerpadla atd.) v dokumentaci zařízení.

7.1 Rozsah kontroly Kontrola, která se má každým rokem provádět, by měla mít minimálně tento rozsah (platí i pro první kontrolu): • odvzdušnit veškeré odvzdušňované části v solárním okruhu • srovnat provozní tlak zařízení s požadovanou hodnotou (u první kontroly: výchozí hodnota) • srovnat hodnotu pH nemrznoucí kapaliny s požadovanou hodnotou a hodnotou předešlého roku (u první kontroly: výchozí hodnota) • případně ručně nastavit čerpadlo • pokud je k dispozici průtokoměr: srovnat objemový průtok s požadovanou hodnotou • dávat pozor na kolísání na manometru a příp. průtokoměru • dávat pozor na hluk v čerpadle (vzduch) • otevřít a zavřít gravitační brzdu • zkontrolovat počet chodů termostatického směšovacího ventilu (není nutné u první kontroly) • zkontrolovat provozní protokoly regulace na věrohodnost (např. Tmax kolektoru, Tmax zásobníku, výnosová suma atd.) • zkontrolovat věrohodnost v závislosti na záření: výstupní a vstupní teplota na teploměrech – ukazované hodnoty na regulace • dokumentace všech nastavení a naměřených hodnot Membránová expanzní nádoba a pojistný ventil se nemusí kontrolovat, pokud je provozní tlak zařízení v pořádku a pojistný ventil nevykazuje žádné příznaky otevření (inkrustace, kapky, nárůst kapaliny ve sběrné nádobce).

7.2 Rozsah údržby Mimoto se doporučuje provádět v delších intervalech (např. každé 3-5 let) údržbu jako rozšířenou kontrolu. K výše uvedeným kontrolám je navíc vhodné provádět tyto práce: • vizuální prohlídka všech armatur, spojů a přípojek • vizuální prohlídka kolektorů včetně upevnění • vizuální prohlídka izolace solárního okruhu a kabelu čidla Pokud je součástí smlouvy o provedení údržby i zásobník, musí se provést údržba zásobníku podle údajů výrobce.

16

Pokud při provádění údržby popř. kontroly vyplyne, že je potřeba provést určité práce, musí se tyto nabídnout zákazníkovi zvlášť (např. čištění kolektorů, výměna solární kapaliny nebo anody).

7.3 Vysvětlivky k inspekci

Provozní tlak zařízení Provozní tlak zařízení podléhá v závislosti na teplotě normálním výkyvům. Na základě zvyšování objemu solární kapaliny při ohřevu bude provozní tlak zařízení v případě střední teploty kapaliny 80°C o něco vyšší než u plnicí teploty (např. 20°C). Odchylky od původně nastavené hodnoty směrem nahoru jsou tedy pravděpodobné, odchylky směrem dolů ne. Standardně malé výkyvy tlaku (objemu) pobírá expanzní nádoba. Zjistí-li se pokles tlaku, který nelze dostatečně vysvětlit, musí se najít příčina, aby se zabránilo provozním poruchám. Kromě netěsností v oblasti kolektorů a solárního okruhu může být důvodem pro pokles tlaku i otevření pojistného ventilu. Pro opravu provozního tlaku zařízení však nestačí pouze naplnit solární kapalinu, aniž by se našla příčina. Každá netěsnost v solárním okruhu povede dříve nebo později k provozní poruše. A samozřejmě se musí dávat pozor na to, že provozní tlak zařízení nespraví přidáním vody – ani provozovatel zařízení (riziko naředění – zmrznutí).

Vstupní tlak membránové expanzní nádoby Možným důvodem pro pokles tlaku v zařízení může být i snížený vstupní tlak v membránové expanzní nádobě. Pokud poklesl na základě netěsností na straně tlaku plynu, změní se podle toho provozní tlak zařízení. Pro kontrolu vstupního tlaku membránové expanzní nádoby, se musí membránová expanzní nádoba hydraulicky oddělit od solárního okruhu a vyprázdnit. (Pozor: v případě záření kolektor zakrýt!). Zkušebním manometrem se měří vstupní tlak na straně plynu a v případě potřeby se zvyšuje přidáním plynného dusíku. Ke zvýšení tlaku se nesmí použít vzduch (srov. odstavec 5.2 Tlaková membránová expanzní nádoba).

Solární kapalina Teplonosné médium je jako provozní prostředek solární termické soustavy vystaveno normálnímu opotřebení. Jak nemrznoucí tak protikorozní příměsi stárnou nebo se spotřebovávají při provozu zařízení. Pravidelná kontrola specifických charakteristických parametrů poskytuje informaci o tom jak tento proces stárnutí pokračuje. Není neobvyklé, když se potom musí solární kapalina po deseti až dvanácti letech vyměnit. Podle zatížení (přehřátí, oxidace) se však opotřebení urychluje. Pokud se v rámci roční kontroly zjistí výrazný pokles hodnoty pH, musí se kapalina případně vyměnit, už předtím než se podkročí mezní hodnota, kterou uvádí výrobce. Zřetelné zabarvení dohněda a štiplavý zápach jsou příznaky přestárnutí. V případě pochybnosti by se měl odebrat vzorek, který se pošle výrobci k odborné analýze. Pro kontrolu hodnoty pH nemrznoucí kapaliny se mohou používat jen měřicí přístroje, které povolil výrobce. Navíc se upozorňuje na to, že smíchání různých solárních kapalin je dovoleno pouze po dohodě s výrobcem popř. podle údajů výrobce. 17

8 Závěr Trh pro solární termická zařízení je rostoucí trh. Dobrá zařízení se vyznačují vysokou efektivností a dlouhou životností. To dělá spokojené zákazníky, kteří svými doporučeními urychlují růst trhu. Odborní topenáři, kteří sledují upozornění v tomto informačním letáku, mají konkurenční výhodu při prodeji a při instalaci solárních termických soustav, zmenšují počet reklamací zákazníků a přispívají k dlohodobým dodávkám energie. Solární termické soustavy lze spolehlivě a efektivně provozovat celá desetiletí.

Informace BDH slouží nezávaznému technickému poučení. Bezchybnost obsažených informací nemůže být ani navzdory důkladné kontroly zaručena. Další informace na: www.BDH-Koeln.de Infolist 34 03/2009 Překlad: Viessmann, spol. s r.o. 18