Integracja kolektorów słonecznych: Ochrona zaworów termostatycznych przed przechowywaniem w wysokiej temperaturze w systemach solarnego ogrzewania ciepłej wody użytkowej

Kolektory słoneczne produkują zwykle temperatury wody, które niszczą standardowe zawory domowe. W słoneczny dzień letni dobrze zaprojektowany system kolektorów słonecznych może podnieść temperaturę wody w zbiorniku magazynowym powyżej 85 °C — a w warunkach stagnacji temperatura w samych kolektorach może osiągnąć 200 °C.
Dla inżyniera MEP oraz instalatora oznacza to, że każdy zawór umieszczony poniżej zbiornika magazynowego w układzie ogrzewania słonecznego musi być dobrane z uwzględnieniem temperatur i nagłych zmian temperatury, na które tradycyjne elementy instalacji sanitarnej nie zostały zaprojektowane.

Rzeczywiste temperatury w systemach ogrzewania słonecznego

Zdefiniujmy najpierw rzeczywiste warunki eksploatacyjne, zanim przejdziemy do omawiania specyfikacji zaworów:

Najbardziej niebezpieczny scenariusz dla zaworów: system pozostawał w stagnacji letniej przy temperaturze 95 °C, a nagle zimna woda z sieci miejskiej wpływa do obwodu po otwarciu kranu. Szok termiczny — zmiana temperatury o 75 °C w czasie krótszym niż sekunda — może spowodować pęknięcie dysków ceramicznych, odkształcenie elementów plastikowych oraz trwałe deformacje uszczelek EPDM.

Zawory w obwodzie termicznym słonecznym

System solarnego ogrzewania wody wymaga zaworów w trzech różnych miejscach, z różnymi wymaganiami termicznymi:

1. Zawory w obwodzie kolektorów

Są to zawory najbardziej obciążone termicznie w całym systemie. Obwód kolektorów transportuje ciecz grzewczą (zazwyczaj mieszaninę glikolu i wody) pomiędzy kolektorami montowanymi na dachu a wymiennikiem ciepła zbiornika. Zawory w tym obwodzie — zawory izolacyjne, zawory zwrotne oraz odpowietrzniki — muszą wytrzymać:
• Zakres temperatury: –30 °C do 200 °C (dla przetrwania stanu stagnacji)
• Ciecz grzewcza: Mieszanina propylenoglikolu i wody, która jest bardziej agresywna dla uszczelek niż czysta woda
• Ciśnienie: Ciśnienie tłoczenia pompy plus ciśnienie hydrostatyczne wynikające z wysokości umiejscowienia kolektorów
W celu izolacji obwodu kolektora należy zastosować kulowe zawory pełnoprzekrojowe z uszczelkami z PTFE i uszczelnieniem trzpienia z grafitu. Standardowe kulowe zawory mosiężne z uszczelkami z PTFE są przeznaczone do temperatur do ok. 180 °C, co obejmuje normalne warunki eksploatacji, ale nie skrajne przypadki stagnacji. W instalacjach w regionach o wysokim nasłonecznieniu (Bliski Wschód, Europa Południowa, Australia) należy rozważyć zastosowanie zaworów ze stali nierdzewnej 316 w obwodzie kolektora.

2. Zawory zbiornika magazynowego (zabezpieczenie przed przegrzaniem)

Każdy zbiornik magazynowy systemu słonecznego wymaga zaworu bezpieczeństwa temperaturowo-ciśnieniowego (T&P), który jest przystosowany do maksymalnych warunków eksploatacyjnych zbiornika. Norma EN 12897 wymaga:
• Ustawienie punktu zadziałania zabezpieczenia temperaturowego: 95–99 °C (poniżej temperatury wrzenia przy ciśnieniu atmosferycznym)
• Przepustowość odpływu: Dopasowana do maksymalnego dopływu energii z kolektorów słonecznych
• Rura odpływowa: Metalowa, z ciągłym spadkiem do bezpiecznego i widocznego punktu odpływu
Zawór bezpieczeństwa T&P, który kapie przy 85 °C, został nieprawidłowo dobrane. Temperatura otwarcia zaworu musi być wyższa niż najwyższa normalna temperatura robocza (zazwyczaj 85 °C podczas letniego przestoju), ale niższa niż temperatura wrzenia. Standardowym ustawieniem jest 95 °C z tolerancją ±3 °C dla systemów solarnej energii cieplnej.

3. Termostatyczne zawory mieszające (TMV) po stronie dystrybucji

Tu inżynieria staje się szczególnie interesująca. TMV po stronie dystrybucji ciepłej wody w systemie solarnej energii cieplnej pełni dwie funkcje:
1. Mieszanie gorącej wody z magazynu (65–95 °C) w celu obniżenia jej temperatury do bezpiecznego poziomu dostarczania (38–46 °C)
2. Ochrona samego zaworu przed długotrwałymi temperaturami wejściowymi, które mogłyby uszkodzić standardowy wkład TMV

Dobór TMV przeznaczonych do pracy w systemach solarnej energii cieplnej

Standardowy zawór TMV2 jest testowany pod kątem ciągłego dopływu gorącej wody o temperaturze do 85 °C. W zbiorniku akumulacyjnym ogrzewanym przez kolektory słoneczne zawór TMV po stronie gorącej może przez kilka godzin podczas lata być narażony na temperatury wejściowe 90–95 °C. Dobranie zaworu nieprzeznaczonego do takich warunków powoduje:
• Zmęczenie elementu termicznego: Woskowy kapsułka termostatyczna traci czułość po długotrwałym narażeniu na temperatury przekraczające maksymalną wartość zaprojektowaną
• Degradacja uszczelek: Pierścienie uszczelniające i membrany z EPDM twardnieją i pękają
• Relaksacja sprężyny: Sprężyna powrotna zamykająca gorący port traci napięcie, co powoduje dryf temperatury
Lista kontrolna specyfikacji zaworu mieszającego przeznaczonego do zastosowań solarnych:

Xindong produkuje zawory mieszające termoregulacyjne certyfikowane zgodnie z normami TMV2 i TMV3, wyposażone w wkłady odpornie na wysokie temperatury do zastosowań w systemach solarnej energii cieplnej. Nasz zespół inżynieryjny może dostarczyć krzywych obniżenia temperatury roboczej oraz certyfikatów materiałów spełniających wymagania dotyczące eksploatacji w systemach solarnych, wspierając konsultantów MEP kompletem technicznych dokumentów do zgłoszeń projektowych w ramach projektów energetyki odnawialnej.

Strategia wstępnego chłodzenia

W systemach, w których temperatura w zbiorniku magazynowym regularnie przekracza dopuszczalną temperaturę ciągłej pracy zaworu mieszającego termoregulacyjnego, najbardziej niezawodnym rozwiązaniem jest wymiennik ciepła do wstępnego chłodzenia umieszczony pomiędzy zbiornikiem magazynowym a zaworem mieszającym termoregulacyjnym. Mały płytowy wymiennik ciepła zainstalowany na przewodzie zimnej wody zasilającej wykonuje wstępne chłodzenie gorącej wody przed jej dotarciem do wejścia zaworu mieszającego termoregulacyjnego:
• Zimna woda sieciowa o temperaturze ok. 15 °C przepływa przez jedną stronę płytowego wymiennika ciepła
• Gorąca woda z zbiornika słonecznego o temperaturze 90 °C przepływa przez drugą stronę
• Gorące wejście zaworu mieszającego (TMV) otrzymuje wodę wstępnie ochłodzoną do temperatury ok. 70 °C
• Zimna woda, która wykonała wstępną chłodzenie, jest teraz wstępnie podgrzewana do ok. 35 °C, co zmniejsza obciążenie mieszania zaworu TMV
Takie ułożenie znacznie wydłuża czas eksploatacji zaworu TMV, zmniejsza ryzyko oparzeń poprzez zawężenie zakresu mieszania, który musi obsłużyć zawór TMV, oraz odzyskuje ciepło odpadowe w zimnym zasilaniu — niewielka korzyść energetyczna.

Rozruch systemu grzewczego wykorzystującego energię słoneczną

Rozruch systemu grzewczego wykorzystującego energię słoneczną wymaga tej samej procedury testowania zaworów TMV co system konwencjonalny (zobacz nasz powiązany artykuł dotyczący rozruchu zgodnie z normą BS 7949), z poniższymi dodatkami:
1. Test przy maksymalnej temperaturze magazynowania: Uruchom grzałkę zapasową (jeśli zainstalowana), aby podnieść temperaturę wody w zbiorniku magazynowym do maksymalnej projektowej wartości, a następnie wykonaj pełną sekwencję rozruchu zaworu TMV. Zawór TMV, który przejdzie test przy 65 °C, może nie spełnić wymogów przy 85 °C.
2. Zweryfikuj odpływ temperatury i ciśnienia (T&P): Ręcznie podnieś dźwignię testową zaworu bezpieczeństwa ciśnienia i temperatury (T&P) i sprawdź, czy występuje swobodny odpływ. Wykonaj tę czynność, gdy system jest zimny — nigdy nie próbuj podnieść zaworu T&P w nagrzanym, podciśnieniowym zbiorniku.
3. Symulacja stagnacji: Podczas uruchamiania systemu w lecie odłącz pompę obiegu kolektorów i monitoruj przez 30 minut temperaturę kolektorów oraz zbiornika. Upewnij się, że urządzenia zabezpieczające przed przegrzaniem aktywują się przed przekroczeniem przez którykolwiek zawór swojej dopuszczalnej temperatury.
4. Zarejestruj pomiary specyficzne dla systemów słonecznych: Oprócz standardowych danych dotyczących uruchamiania mieszaczy temperatury (TMV) zapisz temperaturę stagnacji kolektorów słonecznych, maksymalną temperaturę zbiornika magazynowego, stężenie glikolu oraz klasę i ustawienie zaworu bezpieczeństwa ciśnienia i temperatury (T&P).

Budowanie na długą perspektywę

Solarne ogrzewanie ciepłem to inwestycja na 25 lat. Kolektory montowane na dachu mogą funkcjonować przez ten okres przy minimalnym konserwowaniu, ale zawory w pomieszczeniu technicznym będą wymieniane przynajmniej raz — chyba że od samego początku dobrane zostaną poprawnie. Koszt ulepszenia standardowego zaworu mieszającego termostatycznego (TMV) do wersji przeznaczonej do wysokich temperatur w systemach solarnych jest znikomy w porównaniu z kosztem wymiany wkładki, kosztem wyjazdu serwisu oraz zakłóceniami dla najemców w całym okresie eksploatacji systemu.

Zhejiang Xindong Sanitary Ware Co., Ltd. produkuje zawory dla światowej branży instalacyjnej od 1999 roku. Posiadamy ponad 65 patentów oraz certyfikaty WRAS/CE/ACS/NSF; miesięczna zdolność produkcyjna przekracza 200 000 zestawów. Dostarczamy zaworów mieszających termostatycznych, zaworów bezpieczeństwa temperaturowego oraz zaworów izolacyjnych zaprojektowanych z uwzględnieniem wymagań termicznych systemów energii odnawialnej. Nasz zespół techniczny wspiera projektantów MEP dokumentami materiałowymi, dokumentacją dotyczącą klasy temperaturowej oraz harmonogramami zaworów dostosowanymi do konkretnych projektów.
Integracja systemów grzewczych wykorzystujących energię słoneczną nie jest niszą — to kierunek rozwoju instalacji sanitarnej w budownictwie komercyjnym. Dobór zaworów odpornych na wysokie temperatury to cicha decyzja inżynierska, która chroni całą instalację przez dziesięciolecia.

W celu uzyskania specyfikacji zaworów oraz wsparcia technicznego w zastosowaniach wysokotemperaturowych skontaktuj się z Xindongem pod adresem [ www.cn-xindong.com ](https://www.cn-xindong.com).