Vrtić Stari Mikanovci 2017, integralni projekt energetske obnove s ciljem smanjenja potrošnje toplinske i električne energije te smanjenja emisije CO2 zgrade i pratećih sustava. Projektom je obrađena obnova ovojnice zgrade, zamjena sustava rasvjete te nadogradnja pripreme PTV sa drain back toplinskim pretvornicima.

Solarni sustav je opskrba energijom bez stvaranja štetnih plinova, kojom se štede fosilni energenti i rasterećuje okoliš. Solarni sustavi u nabavi iziskuju relativno velike investicije, međutim, osiguravaju donekle i neovisnost od porasta cijene nafte i plina ili drugih izvora energije. Solarni sustav je investicija u budućnost koja ne zahtijeva opsežno održavanje, ne podliježe krizama i osigurava određenu neovisnost.

Dozračena energija koja dospijeva do površine zemlje naziva se globalnim zračenjem. Snaga i udio izravnog i difuznog zračenja u velikoj mjeri ovise o godišnjoj dobi i lokalnim vremenskim prilikama. Difuzno zračenje nastaje raspršivanjem, refleksijom i lomom na oblacima i česticama u zraku. Ono se također može iskoristiti za solarnu tehniku. U oblanom danu s difuznim udjelom zračenja od 80% dozračena energija je 300 W/m2. Ovisno o lokaciji, godišnje sunčevo zračenje u Hrvatskoj iznosi od 1.150 do 1.600 kWh/m2. Načelno vrijedi: I na našim prostorima Sunce daje dovoljno energije zračenja za zagrijavanje PTV i podršku grijanju.

Sunčevo je zračenje najintenzivnije oko podneva. Stoga bi kolektori trebali biti tako postavljeni da su u podne okrenuti na jug. Tu orijentaciju nazivamo Azimutovim kutem pri cemu 0° označava orijentaciju na jug. Ukoliko orijentacija kolektora odstupa od optimalne orijentacije, tada se godišnje zračenje na površinu kolektora smanjuje što je veće odstupanje od idealnog smjera i nagiba, što u pravilu možemo kompenzirati većom površinom kolektora.

Solarni stupanj pokrivenosti je ciljna veličina orijentacije koja određuje mjerodavne dimenzije površine kolektora i volumena spremnika. Ovaj stupanj opisuje udio potrebe za toplinskom energijom koji treba pokriti solarni sustav. Zimi je, zbog male količine sunčeva zračenja, nemoguće 100 % pokriti toplinske potrebe za grijanjem. Odgovarajućim povećanjem površine kolektora neznatno se doduše može povećati pokrivenost zimi. Ali, to nesumnjivo dovodi do viška u ljetnim mjesecima što pored male gospodarske rentabilnosti dovodi do dodatnog termičkog opterećenja ukupnog postrojenja. Potpuna pokrivenost sunčevom energijom moguća je stoga samo pomoću velikih međuspremnika.

Kod malih je sustava kao npr. obiteljske kuće ili kuće za dvije obitelji) potreban stupanj pokrivenosti od cca. 60 % za grijanje PTV. Kod srednjih solarih sustava (stambena zgrada, sportski centri itd.) odabire se stupanj pokrivenosti od cca. 30 - 45 %. Kod velikih sustava (stambene zgrade, dom za starije osobe itd.) s više od 30 - 40 m2 površine kolektorskog polja nastoji se postići stupanj pokrivenosti od < 20 %. Ovdje je riječ o tzv. sustavima za predgrijavanje. Razlog za različite stupnjeve pokrivenosti prije svega leži u gospodarskoj optimizaciji. Eventualni solarni viškovi smatraju se gubicima. Takvo shvaćanje ima posebno značenje kod velikih postrojenja s večim investicijama.

Solarni stupanj korisnosti sustava je odnos topline koju solarni sustav predaje konvencionalnom sustavu i sunčeve energije koja je zračila na površini kolektora. Stupnjevi korisnosti promatraju se uvijek tijekom duljeg razdoblja (više mjeseci ili jednu godinu). Služe prvenstveno energetskoj procjeni postrojenja. U okviru gospodarske optimizacije teži se što većem stupnju korisnosti. Stupanj korisnosti uobičajenih solarnih sustava za zagrijavanje PTV u obiteljskim kućama ili kućama za dvije obitelji kod sustava s 60 % pokrivenosti iznosi otprilike 30 - 45 %. To znači da se od cca 1000 kWh/m2g zraćenja može proizvesti 300 - 400 kWh/m2g korisne topline. Sustavi za predgrijavanje mogu proizvesti do 600 kWh/m2g. Minimalni prinos kolektora od 525 kWh/m2g je ispitna vrijednost koja je dobivena u „uvjetima za ispitivanje“ Ne može se usporediti s prinosom realnih postrojenja.

Kod projektiranja večih postrojenja od posebnog značaja je pojam iskorištenost kapaciteta. To je mjera za dnevnu potrošnju PTV po m2 površine kolektora. Važan je instrument za energetsku optimizaciju solarnoga sustava. Kod manjih sustava dnevna iskorištenost kapaciteta često iznosi od 30 - 40 l PTV po m2 površine kolektora, dok je za velike sustave dnevno potrebno cca 70 l PTV po m2 površine kolektora.

REGULACIJA SUSTAVA
Primarna regulacija upravlja radom međuspremnika tople vode grijanja, radom kruga pripreme PTV i recirkulacijom. Sve prema funkcionalnoj shemi primarne regulacije na kojoj se vidi način povezivanje lokalnih osjetnika temperature te regulacijske opreme u polju. U glavnoj prostoriji postavlja se programabilni regulator kojim se upravlja radom sustava.

Solarna regulacija uključuje crpku solarnog kruga kada je zadovoljena razlika temperature podešena na istoj. Solarna crpka je uključena sve do trenutka kada se prekorači minimalna podešena temperaturna razlika. Ako solarni prinos nije zadovoljavajući u odnosu na potrošnju, dogrijavanje spremnika se vrši putem uređaja za grijanje.

Potencijalne opasnosti tijekom ugradnje sustava:
- Opasnost po život zbog pada s krova! Opasnost po život zbog dijelova koji padaju s krova! Obratite pozornost na važeće nacionalne propise za radove na visinama.
- Opasnost od opeklina i oparenja! Kolektori se pri sunčevom zračenju u unutarnjem području zagrijavaju na temperaturu do 200 °C. Stoga odstranite tvornički postavljenju foliju za zaštitu od sunca tek nakon puštanja solarnog sustava u rad.
- Opasnost od opeklina i oparotina! Kolektori se pri sunčevom zračenju u unutarnjem području zagrijavaju na temperaturu do 200 °C. Zbog toga izbjegavajte radove održavanja kad je sunce prejako.
- Opasnost od korozije! Kod krovova od plemenitih metala kao što je aluminij (npr. bakreni krovovi) može doći do kontaktne korozije na usidrenjima pri čemu se više ne može zajamčiti oslonac kolektora. Pobrinite se za odvajanje metala pomoću odgovarajućih podloga.
- Oštećenja na kolektoru! Montaža ravnih kolektora prema postojećim uputama za montažu podrazumijeva stručno znanje u skladu sa završenim stručnim obrazovanjem osoblja koje izvodi radove. Zbog toga izvodite montažne radove samo ako raspolažete takvim stručnim znanjem.
- Oštećenja uslijed udara munje! Kod visine montaže iznad 20 m odn. ako kolektori strše iznad sljemena krova, onda se na naprave za zaštitu od udara munje moraju priključiti dijelovi s električnim provođenjem!
- Oštećenja uslijed smrzavanja! Ni u kom slučaju se čista voda ne smije nalaziti u kolektoru ako postoji opasnost od smrzavanja! Nakon stlačivanja i ispiranja može ostati vode u kolektorima. Zbog toga solarni uređaj odmah napunite solarnom tekućinom. Prekontrolirajte koncentraciju tekućine pomoću testera za zaštitu od niskih temperatura jer ostatci vode u solarnom krugu mogu dovesti do razrjeđivanja.

Termodinamički proračun kapaciteta zagrijavanja potrošne tople vode

Sunce zagrijava apsorber i solarnu tekućinu koja cirkulira u njemu. Solarna tekućina se pomoću cirkulacijske crpke prenosi u donji izmjenjivač topline bivalentnoga solarnoga spremnika gdje svoju toplinu predaje vodi u spremniku. Solarni regulator uključuje cirkulacijsku crpku u solarnom krugu samo u slučaju kad je temperatura u

kolektoru viša od one u donjem dijelu spremnika. Razlika u temperaturi utvrđuje se osjetnikom temperature na kolektoru i na bivalentnom solarnom spremniku PTV. Najčešće se namjeste vrijednosti od 5 K i 10 K. Ukoliko razlika u temperaturi prijeđe određeni prag od npr. 3 K regulator crpke se ponovno isključuje, budući da se ne može očekivati značajnija energetska dobit, a crpka ne treba nužno trošiti struju. Ako sunčevo zračenje nije dovoljno za zagrijavanje PTV, konvencionalni sustav grijanja dogrijava gornje područje spremnika na željenu temperaturu. U obiteljskoj kući temperatura od 45 °C u pravilu je dovoljna za sve primjene (tuširanje, kupanje, čišćenje itd.). Za velike sustave je prema smjernicama njemačke udruge za plin i vodu (DVGW) propisana temperatura od 60 °C. Što se izabere niža temperatura, to učinkovitije radi solarni kao i cjelokupni sustav.

Prilikom dimenzioniranja solarnih sustava u obzir se uzima veliki broj parametara:
- toplinske energije za zagrijavanje PTV te eventualno za cirkulaciju PTV
- podaci o sunčevom zračenju s obzirom na geografsku poziciju
- usmjerenje i nagib kolektorskih polja
- konfiguracija sustava

U obiteljskoj kući temperatura od 45 °C u pravilu je dovoljna za sve primjene (tuširanje, kupanje, čišćenje itd.). Za velike sustave je prema smjernicama njemačke udruge za plin i vodu (DVGW) propisana temperatura od 60 °C. Što se izabere niža temperatura, to učinkovitije radi solarni kao i cjelokupni sustav. Ukoliko nisu obavljena mjerenja, za stambene objekte primjenjuje se približna dnevna potrebna količina PTV od 20 - 25 l po osobi, odnosno od 70 l/stambena jedinica na nižoj temperaturi od 60°C. Treba odrediti i planirati faktore istovremenosti. Za solarne je sustave relevantna potrošnja PTV u ljetnim mjesecima, budući da je tada rizik od pregrijavanja najveći, a s druge se strane zbog godišnjih odmora očekuje malo opterećenje sustava.

Kao i kod svih sustava za zagrijavanja PTV, tako i kod solarnih sustava treba voditi računa o higijenskim uvjetima (VDI 6023 Higijena pitke vode). Temperature od 30 - 50 °C posebno su pogodne za razmnožavanje klica (npr. legionele). U radnim listovima DVGW-a W551 i W552 navedeni su uvjeti za izbjegavanje razmnožavanja legionela od kojih ćemo ukratko izložiti najvažnije. Kod malih sustava u obiteljskim kućama i stambenim objektima procijenjen je nizak stupanj opasnosti. Nisu potrebne nikakve posebne mjere! Temperature PTV od 45 °C dovoljna je za sve primjene. Svako povišenje temperature uzrokuje veće gubitke i umanjuje solarni učin. Osim toga, potrebna je konvencionalna energija za dogrijavanje na željenu temperaturu. Govorimo o velikom sustavu, ako sadržaj spremnika ima 400 l sadržaja ili ako zapremina u cijevi PTV do najudaljenijeg ispusnog mjesta iznosi više od 3 l. Tada PTV u dijelu pripravnosti spremnika treba stalno držati na 60 °C zbog termičke dezinfekcije, a ukupnu zapreminu u spremniku treba jednom dnevno zagrijati na 60°C. Najniža temepratura u cijeloj mreži PTV (i u cirkulacijskom povratnom vodu!) ne smije biti niža od 5 K ispod temperature na izlazu iz spremnika.

SOLARNI CJEVOVODI
Pad tlaka po metru cjevovoda iz energetskih razloga unutar kolektorskog kruga ne bi trebao prijeći 1,5 mbara, a brzina strujanja trebala bi se ograničiti na cca 0,5 m/s. Ako se dozvoli veća potrošnja energije crpke, može se povečati pad tlaka u kolektorskom krugu. Kako bi se spriječilo stvaranje šumova i odnošenje materijala, brzina strujanja u cijevima ne bi trebala prijeći 0,7 m/s. Za određivanje ukupnog pada tlaka moraju se zbrojiti padovi tlaka u cijevima te lukovima, adapterima i armaturama. U praksi je ovdje čest dodatak od 30 - 50 %. Ovisno o instalacijama cijevi stvarni padovi tlaka mogu više odstupati, pa se stoga točnom izračunu treba dati prednost pred procjenom. Kod večih solarnih sustava s više kolektorskih polja treba težiti jednakome padu tlaka po metru glavnog cjevovoda, čak i u razgranatim vodovima. Zbog toga kod dimenzioniranja cijevi u razgranatim vodovima treba prilagoditi presjek. Sve ugradnje trebale bi imati isti nazivni promjer kao i dotični cjevovod. Kod automatskog sustava odvajanja zraka brzina strujanja u cjevovodima ne bi trebala biti niža od 0,4 m/s, kako bi se nakon puštanja u rad još zatvoreni mjehurići zraka mogli transportirati do filtra zraka.

RADNI MEDIJ ANTIFRIZ
Antifriz nadražuje sluznicu nosa i dušnika kod udisanja para, slaba iritacija kože kod polijevanja te jaka iritacija očiju kod prskanja u oči. Nakon gutanja javljaju se mučnina, povraćanje, abdominalna bol te slabost, a kod viših doza javljaju se pijanstvo i stupor sve do razvijanja acidoze, kome i smrti. Teška oštećenja bubrega mogu nastupiti kroz nekoliko dana nakon gutanja ako se ne poduzme liječenje.

Razliven antifriz pokupiti upijajućim sredstvima (pilovina, pijesak, mineralni adsorbensi i slični) ili uređajima za skupljanje. Taj otpadni materijal kao i onečišćeni površinski sloj ukloniti na siguran način prema važećim zakonima.

Etilen-glikol se s vodom najčešće miješa u omjeru 35-55%. Udio etilen-glikola od 34% u smjesi omogućava zaštitu od smrzavanja do -20 °C. Smjesa etilen-glikola je s troškovnog gledišta vrlo povoljno rješenje no valja naglasiti da je etilen-glikol otrovan.

Propilen-glikol se s vodom najčešće miješa u omjeru 35 – 60%. Udio propilen-glikola od 38% u smjesi omogućava zaštitu od smrzavanja do -22 °C. Smjesa propilen-glikola je s troškovnog gledišta skuplji od etilen-glikola, no kako je neotrovan mnogo je sigurniji u primjeni.

SOLARNI KOLEKTOR
Kolektor je srce odnosno „elektrana“ svakog solarnog postrojenja. Tu se „proizvodi“ energija pretvaranjem sunčeve energije u toplinsku. To omogućuje individualnu tehniku priključivanja te jednostavnu prilagodbu željama kupaca i okolnostima postavljanja. Ovisno o lokalnim uvjetima i broju kolektora polazni i povratni vod kolektorskog polja mogu se položiti s iste ili nasuprotne strane kolektorskog polja. Serpentinski apsorber služe za optimalno punjenje i pražnjenje. Dugotrajna stabilnost medija za prijenos topline povisuje se, budući da se kod stvaranja pare, u slučaju stagnacije, on brže potiskuje iz kolektora. Antirefleksivno staklo kod pločastog kolektora ima smanjenu refleksiju zbog strukture stakla (nano-struktura). Postupkom jetkanja površina postaje gruba, a indeks loma se smanjuje s 1,53 na 1,3. Prijenos svjetla raste u odnosu na konvencionalno staklo s 91 % na 96 %. Tako se pospješuje optički stupanj djelovanja na cca. 0,85. U odnosu na standardne radne temperature, bruto prinos kolektorskog polja raste za 7 % do 10 %.

SOLARNI SPREMNICI
Solarni spremnici imaju 175 mm toplinsku izolaciju koja se može skinuti. Osim lakog rukovanja prilikom montaže - izolacija spremnika se po potrebi može postaviti tek nakon instaliranja cijevovoda - smanjuju se i gubici energije za pripravnost na cca 1.9 kWh/d. Mali gubici u stanju pripravnosti omoguČuju da se racionalno koristi akumulirana energija u spremniku te se smanjuje potreba za dogrijavanjem. Solarni je izmjenjivač smješten u donjem dijelu spremnika tako da za solarno zagrijavanje na raspolaganju stoji čitava zapremina spremnika. Kad se iz spremnika uzima topla voda automatski dotjeće hladna pitka voda u donji predio spremnika. Dolazi do izraženog temperaturnog raslojavanja, što potpomaže i "mali" promjer spremnika. Ako se temperatura spremnika snizi u odnosu na namještenu u gornjem dijelu spremnika, PTV se zagrijava putem dodatnog izmjenjivača topline. Zagrijava se samo voda u gornjem dijelu spremnika kako bi u donjem na raspolaganju bile niže temperature za što efikasnije korištenje solarne energije. Na taj način korisnik uvijek ima PTV. Istovremeno solarna tehnika ima najbolje izglede za visoki stupanj eksploatacije energije.

Za dimenzioniranje solarnih sustava načelno vrijede drugačija pravila nego što je to slučaj kod dimenzioniranja konvencionalnih sustava! Oni se postavljaju kao dopunski sustavi koji bi što učinkovitije trebali iskoristiti sunčevu energiju čija količina značajno oscilira, po mogućnosti bi trebali istu akumulirati te na taj način umanjiti potrebnu količinu energije za konvencionalni sustav. U pravilu najveća potrošnja PTV je u jutarnjim i večernjim satima. S druge strane tijekom godine izmjenjuju se oblačni i sunčani dani s različitim vrijednostima dozračene sunčeve energije. Kompenzaciju perioda različitog prinosa i potrošnje kompenzira solarni spremnik. Upravo iz tog razloga solarni spremnici su znatno većeg volumena od spremnika u konvencionalnim sustavima. Sigurnost opskrbe osigurava se sustavom dogrijavanja koji po potrebi gornji dio spremnika dogrijava na željenu temperaturu. Za efektivno korištenje solarne energije na raspolaganju je donji dio spremnika na što nižoj temperaturnoj razini. Ako dolazi do potrošnje PTV tada izlaznu količinu iste nadomješta hladna voda čiji priključak je u najnižem dijelu spremnika i time se osigurava temperaturna slojevitost. Dimenzioniranje solarnog spremnika uvjetovano je potrebama za PTV i površinom kolektora. Površina izmjenjivača topline u solarnome spremniku trebala bi biti tako dimenzionirana da su po m2 neto kolektorske površine na raspolaganju minimalno 0,3 m2 do 0,4 m2 ili 0,2 m2 površine fleksibilne cijevi izmjenjivača.

TERMOSTATSKI MJEŠAJUĆI VENTIL
U solarnim sustavima temperature PTV mogu doseći vrijedosti više od 60°C. Posebno se značenje pridaje zaštiti od mogućih opeklina. Stoga je obavezna ugradnja termostatskog troputnog miješajućeg ventila kako bi se ograničila izlazna temperatura iz spremnika. Ako se termostatski troputni miješajući ventil instaliraju u cirkulaciju, treba paziti na hidraulički spoj cirkulacijskog povratnog voda s dovodom hladne vode termostatske miješalice.


Strojarski projekt
Dario Hrastović, dipl.ing.stroj.