Opis delovanja ogrevalnega sistema

Objekt: Begunje pri Cerknici 68a
Projekt: Solarni sistem za ogrevanje sanitarne vode in dogrevanje stanovanja
Začetek montaže: november 2009
Zaključek montaže: maj 2010
Investitor: Dušan Škerlj
Projektant: Dušan Škerlj

Radiatorsko ogrevanje:

Radiatorsko ogrevanje je bilo montirano v hišo že leta 1972, leta 2005 pa je bila izvedena toplotna izolacija fasade, zato lahko sedaj ogrevanje deluje kot nizkotemperaturno. Maksimalne potrebna temperatura ogrevalne vode v radiatorjih znaša 45°C pri zunanji temperaturi -15°C oziroma 39°C pri zunanji temperaturi +5°C. Tak sistem je že zelo primeren za solarno ogrevanje. V prehodnih letnih časih za 100% pokrivanje ogrevanja stanovanja zadoščajo že temperature ogrevne vode okoli 35°C.

Ogrevanje tople sanitarne vode:

Je izvedeno s toplotno črpalko zrak voda. Toplotna črpalka črpa toplotno energijo zraka iz prostora, kjer se nahaja in pri tem ohlaja prostor. Grelno število toplotne črpalke je okoli 3, kar pomeni, da za delovanje porabimo trikrat manj električne energije kakor če bi vodo ogrevali z električnim bojlerjem. Toplotna črpalka ima eno dodatno grelno kačo, ki jo lahko izkoristimo za ogrevanje s pečjo ali s solarnim sistemom. V našem primeru je grelna kača povezana na razdelilec tako, da lahko sanitarno vodo ogrevamo neposredno s pečjo na drva ali neposredno s pečjo na kurilno olje, lahko pa tudi iz hranilnika toplote. Toplotna črpalka ni vezana direktno na solarni sistem. Če bi bila vezana direktno, potem ne bi bilo možno sanitarne vode ogrevati s pečmi (obstaja seveda tudi ta možnost, ki pa je draga in zakomplicirana).

Hranilnik toplote:

Hranilnik vsebuje 1000L, kar pri sprotni porabi toplote pridobljene iz solarnega sistema povsem zadošča, ne zadošča pa pri kurjenju z drvmi. Zaradi pomanjkanja prostora pa tudi zaradi dražje skupne investicije se zaenkrat nisem odločil za vgradnjo dodatnega 1000L hranilnika toplote, kar bi bilo glede na potrebe kurjenja z drvmi optimalno. Tudi po projektnem izračunu bi bilo najbolj optimalno delovanje sistema s hranilnikom toplote velikosti 2000L. V zimskem času v primeru hranilnika velikosti 1000L je potrebno z drvmi zakuriti dvakrat dnevno, če pa bi imel hranilnik velikosti 2000L bi zadoščalo enkratno kurjenje dnevno. V prehodnih letnih časih in v primeru manjšega mraza pri enkratnem kurjenju dnevno z drvmi zadošča tudi 1000L hranilnik. Hranilnik je izveden s pregradnimi ploščami tako, da razslojitev plasti vode z različnimi temperaturami zelo dobro deluje. Razslojitev se v praksi izkaže zelo dobro v več različnih situacijah.

Prva taka situacija je začetek jutranjega ogrevanja s solarnim sistemom. Solarni sistem ogreva vedno vodo iz spodnjega dela hranilnika in jo vrača ogreto po plasteh glede na temperaturo. Če bi bila voda v hranilniku premešana, bi s solarnim sistemom ogrevali vodo z višjo temperaturo, kar bi imelo za posledico manj pridobljene toplotne energije s solarnega sistema. Pri višjih temperaturah ogrevne vode v hranilniku se močno povečajo toplotne izgube solarnega sistema, kar ima za posledico manjše dobitke sončne toplotne energije. Vakuumski kolektorji pri tem niso problematični (saj je vakuum izredno dober toplotni izolator), problematične so solarne cevne inštalacije.

Druga taka situacija je prehod iz nočnega ogrevanja na jutranje ogrevanje. Sistem zaradi dodatne povezave na razdelilec omogoča dvostopenjsko praznjenje: najprej iz spodnjega dela hranilnika (nočni čas), nato ob preklopu ventilov še iz zgornjega dela hranilnika (zjutraj). Če bi bilo mešanje toplotnih plasti v hranilniku preveliko, to seveda ne bi bilo možno, ker bi se vsa toplota oziroma vsej večina toplote porabila že pri prvi stopnji praznjenja hranilnika.

Solarni sistem:

Na strehi hiše sta montirani dve kolektorski polji vakuumskih kolektorjev skupne neto absorberske površine 11,2 m2. Prvo polje je fiksno z naklonom 60°, drugo polje pa je na vrtljivem stojalu. Vrtljivo stojalo je enoosno, vrtljivo okoli navpične osi, naklon kolektorjev je cca 65°. Nakloni kolektorjev so nekoliko večji od običajnih, ker je sistem projektiran predvsem za zimski čas in prehodne letne čase, poleti pa je tako dovolj pridobljene toplote oziroma jo je zaradi večjih naklonov kolektorjev precej manj, kar je koristno, saj zmanjšamo možnost pregrevanja sistema. Dodatna zaščita pred pregrevanjem sistema je vrtljivo stojalo, saj ga lahko v primeru nevarnosti pregrevanja usmerimo stran od sonca.

Kolektorski polji sta vezani zaporedno, glokol se najprej ogreje v kolektorjih montiranih na fiksnem stojalu ter se dogreje v kolektorjih vrtljivega stojala. Solarni vodi so potem speljani preko zračnika poleg dimnika do kurilnice, tam pa do zunanjega toplotnega izmenjevalnika. Z druge strani toplotnega izmenjevalnika gre naprej ogrevna voda do hranilnika. Izvedba priključkov na hranilniku je taka, da se hranilnik polni po temperaturnih plasteh.

Solarni sistem ima vgrajeno tudi zaščito proti zmrzovanju. Zaščita proti zmrzovanju je potrebna, ker imamo v sistemu zunanji toplotni izmenjevalnik z majhno prostornino in nam lahko ob zagonu solarnega sistema pri zelo nizkih zunanjih temperaturah zmrzne voda na sekundarni strani toplotnega izmenjevalnika. Pri izvedbah s solarno cevno kačo znotraj hranilnika toplote ali znotraj solarnega bojlerja taka zaščita ni potrebna, ker je na sekundarni strani dovolj velika količina vode. V našem primeru nimamo take izvedbe hranilnika.

Krmiljenje sistema in merila oprema

Ogrevalni sistem je opremljen z dvema merilnikoma toplotne energije, eden je montiran na skupnem izhodu iz obeh peči, drug pa takoj za toplotnim izmenjevalnikom glikol/voda. Z obema merilnikoma je možno spremljati pridobljeno toplotno energijo iz solarnega sistema na vhodu v hranilnik toplote in toplotno energijo pridobljeno iz peči.

Sistem je opremljen s 13 temperaturnimi tipali. Večina jih je potrebnih za krmiljenje sistema, nekaj pa jih je dodanih zaradi boljšega nadzora in možnosti analize delovanja sistema.

Na vrtljivem stojalu je montiran senzor zasuka. Senzor sončnega sevanja je namenjen zgolj nadzoru in ni potreben za regulacijo sistema.

Vsa našteta merilna oprema je povezana z regulatorjem. Na sistemu pa imamo tudi merilno opremo, ki ni povezana z regulatorjem – to so manometri, termometri in merilniki pretoka.

Krmiljenje je izvedeno s prostoprogramibilnim regulatorjem. Moduli krmiljenja so naslednji:

Radiatorsko ogrevanje – krmiljenje obtočne črpalke in mešalnega ventila. Krmiljenje omogoča nastavitev standardnih regulacijskih parametrov za krmiljenje trotočkovnih mešalnih ventilov, dvotočkovno ali štiritočkovno nastavitev ogrevalne krivulje v odvisnosti od zunanje temperature, nastavitev tedenskega urnika ogrevanja ter nastavitev ostalih servisnih parametrov. Na shemi: tropotni mešalni ventil s tritočkovnim elektromotornim pogonom M1, cirkulacijska črpalka P1, tipala: T1 dovod, T2 povratek, T10 zunanje temperaturno tipalo.

Topla sanitarna voda

To je standardna regulacija ogrevanja tople sanitarne vode z vsemi potrebnimi možnostmi nastavitev parametrov, razen cirkulacije sanitarne tople vode, ki na sistem ni vgrajena. Dodatna posebnost tega krmiljenja je zaščita pred ohlajanjem sanitarne tople vode v primeru, ko je v hranilniku toplote prenizka temperatura. Na shemi: črpalka P2, tipalo T4 bojlersko, T5 zgornje v hranilniku – zaščita proti ohlajanju.

Solarni sistem

Regulator vklaplja v solarni skupini črpalko P5 na osnovi podatka temperatur T8 (izhod iz fiksnega kolektorskega polja) in T9 (izhod iz vrtljivega kolektorskega polja). Regulacija deluje tudi na osnovi podatkov o temperaturah T5 in T6 v hranilniku toplote.

Rotacija vrtljivega stojala

Vrtljivo stojalo se vrti okoli svoje osi (enoosna rotacija) s pomočjo trifaznega elektromotorja (motor M3 na shemi) preko dvojnega polžnega reduktorja. Regulator krmili motor na osnovi podatka o položaju zasuka stojala (senzor SK na shemi) in v odvisnosti od časa. Ker vakuumski kolektorji niso zelo občutljivi na zasuk, je bila programsko izvedena linearna varianta rotacije po korakih. Korake je možno nastavljati (kot zasuka in časovne korake zasuka). Sonce se po rektascenziji (azimut) navidezno giblje izredno nelinearno, odstopanja znašajo tudi več kot 10°. Ravni kolektorji so pri rotaciji bistveno bolj občutljivi.

Zaščita proti zmrzovanju

Zaščita proti zmrzovanju je izvedena s tripotnim preklopnim (v našem primeru je uporabljen kar tripotni mešalni) ventilom in tritočkovnim elektromotornim pogonom (M2 na shemi). Zaščita je programsko krmiljena in sicer na osnovi temperatur T7 in T6. Dodatna prednost zaščite je tudi ta, da pri prehodnih pojavih po nepotrebnem ne ohlajamo hranilnika toplote.

Pri krmiljenju samo črpalka P3 ni vezana na regulator temveč direktno na regulacijo peči na drva. To je zaščita pred pregrevanjem peči na drva. Pri peči na drva je hranilnik toplote praktično obvezen. Ko pride do presežka toplote pri kurjenju drv (ko temperatura v peči preseže nastavljeno), črpalka P3 začne črpati vodo iz peči v hranilnik toplote. V času, ko drv ne kurimo več, pa imamo v hranilniku shranjeno toploto, ki jo lahko kasneje izkoristimo. Z uporabo hranilnika se izognemo tudi nepopolnemu izgorevanju. Originalna peč na drva je sicer opremljena z regulacijsko loputo, ki pripira dovod zgorevalnega zraka, vendar pri premočnem pripiranju nastaja ogljikov monoksid. Če pa je odjem toplote potem, ko ogenj že močno gori, premajhen, lahko kljub pripiranju regulacijske lopute pride do pregrevanja peči. Po drugi strani pa kurjenje na način, da gori minimalno, ni priporočljiv, saj je optimalno zgorevanje drv pri višjih temperaturah – tako s stališča procesa izgorevanja kakor tudi zaradi optimalnega delovanja peči. Pri nizkotemperaturnem izgorevanju proizvajalec ne da garancije na peč, ker jo kondenz uničuje.

Električna omarica

Pri električni omarici velja omeniti podatek, da ima vsaka črpalka svojo tripoložajno stikalo (varovalko), položaji omogočajo: avtomatsko delovanje, ročno stalno izklopljeno stanje in ročno stalno vklopljeno stanje. Tudi vrtljivo stojalo ima 4 položajno stikalo: avtomasko delovanje, izklopljeno, rotacija levo, rotacija desno. V praksi se je izkazalo, da so omenjena stikala največkrat uporabljen element sistema, nepogrešljiv tako pri zagonu, delovanju kakor tudi pri vzdrževanju. Elektromotorni pogoni za nastavljanje tripotnih mešalnih ventilov nimajo svojih tropoložajnih stikal, vendar jih je možno obračati tudi na fiksno nastavitev preko menuja na regulatorju.

V električni omarici se nahajajo vse potrebne glavne varovalke, že omenjena tripoložajna in štiripoložajno stikalo, regulator, kontaktorji za trofazni motor, 5V usmernik za senzor zasuka, 10V usmernik za senzor sončnega sevanja in internetni vmesnik. Ruter za povezavo z internetom je montiran v paru: dva ruterja komunicirata brezžično. Na ta način je zagotovljena zaščita regulacije solarnega sistema pred udarom strele iz telefonskega kabla.

Zanimivosti in izkušje

Vrtljivo stojalo:

Konstrukcija vrtljivega stojala je bila zame v sklopu projekta kar velik zalogaj. Sem namreč strojnik energetik in ne konstrukter. Ker nisem našel primernega izvajalca (sem ga našel prepozno), sem se konstrukcije lotil sam. Konstrukcija vrtljivega stojala pa kasneje tudi izdelava in montaža se je potem izkazala kot najzahtevnejši del projekta. V naši bližini sem videl ne mnogo, pa vendarle dva samograditelja vrtljvih stojal. Za najbolj kritično zadevo pri vrtljivem stojalu se je izkazala trdnost stojala. Vsem samograditeljem priporočam, naj dajo svoje stojalo pred izdelavo v izračun pooblaščenemu inženirju – statiku (lastna izkušnja).

Solarni vodi:

Pri solarnih vodih (cevna povezava od sončnih kolektorjev do izmenjevalca, hranilnika ali bojlerja) je možna izvedba z bakrenimi cevmi ali z narebrenimi nerjavnimi cevmi. Narebrene nerjavne cevi praviloma proizvajalci solarnih sistemov v paketu že kar prilagajo v komplet. Narebrene nerjavne cevi so kvalitetne, obstojne, se ne lomijo in so dokaj enostavne za montažo v zračnike, kjer je bakrene cevi težko montirati. Vendar so cenovno dražje, toplotne izgube pa so vselej večje. Poleg tega imajo večje hidravlične upore, zato pri daljših povezavah nikoli ne pridejo v poštev. Na naši hiši so mi monterji najprej montirali narebrene nerjavne cevi. Ker so bile toplotne izgube prevelike, so potem na mojo zahtevo cevi zamenjali z bakrenimi.

Subvencije:

Na eko sklad republike Slovenije sem dal vlogo za pridobitev nepovratnih sredstev. Vloga je bila v končni fazi uspešna, vendar sem imel dve težavi: Prvič so mi vlogo zavrnili oziroma zahtevali dopolnitev, ker so bile fotografije objekta napravljene cca 1 mesec prej kakor je bil datum vloge. Na srečo takrat, ko sem dobil zavrnitev, kolektorji še niso bili na strehi. Ponovno sem poslikal streho in poslal fotografije. Drugič sem imel težavo zaradi roka izvedbe montaže. Zaradi številnih težav (v glavnem samo zaradi vrtljivega stojala) se je izvedba celotne montaže zavlekla na 6 mesecev tako, da sem skoraj izgubil subvencije.

 

Begunje, 6.5.2011

Dušan Škerlj