Kolektory słoneczne

2010-10-22 08:14:25

Ciepła woda w kranie i gorące grzejniki - wszystko za cenę kilku kolektorów zamocowanych na dachu! Niestety, to zbyt piękne, żeby było prawdziwe. Zatem instalowanie kolektorów ma jedynie wymiar ekologiczny.

To dwa skrajne poglądy, które nieustannie krążą na forach internetowych, w dyskusjach publicznych i folderach informacyjnych. Najbardziej obiektywnym źródłem informacji są liczby, to one właśnie posłużą nam do oceny użyteczności i opłacalności kolektorów słonecznych w domowej instalacji.

Kolektory w liczbach

Instalacja solarna przyniesie największe korzyści w domach wielorodzinnych lub pełniących funkcję pensjonatów (Schüco)

Do obliczeń, mających wykazać realne korzyści z instalacji solarnych, przyjęliśmy następujące założenia (dotyczą one przeciętnych wartości):

przeznaczenie kolektorów: dogrzewanie c.w.u. dla 4-osobowej rodziny.
średnie dobowe zużycie c.w.u.: 300 l wody wstępnie podgrzanej o 35°C, a więc do ok. 45°C.
okres eksploatacji instalacji solarnej: ok. 20 lat.
zapotrzebowanie na energię cieplną do podgrzania c.w.u.: roczne - 4200 kWh.

Instalacja solarna (jeśli jest prawidłowo zaprojektowana i wykonana) jest w stanie pokryć 70% całkowitego zapotrzebowania na energię do dogrzania c.w.u. Oznacza to, że kolektory słoneczne pokryją rocznie średnio 2940 kWh (4200 kWh × 0,7 = 2940 kWh) energii.

W poniższej tabeli porównano koszty pozyskania tej ilości energii z różnych źródeł. Kwoty w kolumnach są teoretycznymi oszczędnościami, wynikającymi z zastąpienia tradycyjnych źródeł ciepła do przygotowania c.w.u. przez instalację solarną.

Wnioski: przeciętny system solarny wraz z montażem kosztuje ok. 15 000 zł.

Do tej kwoty trzeba dodać koszty eksploatacyjne instalacji solarnej (zdjęcie obok - Fakro), jak na przykład zużycie prądu przez pompy cyrkulacyjne, konserwacje itp. Przyjęliśmy, że wynoszą one ok. 4000 zł w całym okresie użytkowania:

szacunkowy koszt energii elektrycznej do napędu pomp - 150 zł rocznie, czyli 3000 zł w ciągu 20 lat;
koszty konserwacji i drobnych napraw - 1000 zł także w całym okresie eksploatacji.

Zatem sumaryczny koszt instalacji solarnej (uwzględniający zarówno nakłady inwestycyjne, jak i eksploatacyjne) to ok. 19 000 zł. Porównując tę kwotę z oszczędnościami podanymi w tabeli, okazuje się, że inwestycja w instalację solarną najszybciej zwróci się, w przypadku, gdy zamiast niej musielibyśmy podgrzewać wodę energią elektryczną. W pozostałych przypadkach będziemy musieli poczekać dłużej na zwrot kosztów.

Jak łatwo zauważyć, im droższe paliwa tradycyjne zastąpimy odnawialnym, tym szybciej zwrócą nam się koszty poniesione na instalację solarną.

Uwaga! Przyjęte w założeniach wartości są umowne i w każdym przypadku mogą być inne. W domach, gdzie średnie zużycie c.w.u jest większe niż przeciętne, wspomniane 70% energii pozyskanej dzięki kolektorom może oznaczać całkiem spore oszczędności. Będą one zauważalne np. w domach, gdzie jest wielu mieszkańców lubiących częste kąpiele w wannie, albo w domach pełniących funkcje pensjonatów. Także tam, gdzie instalacja solarna wykorzystywana będzie do podgrzewania wody w basenie.

Instalacja solarna

Zasobnik solarny - w nim magazynuje się ciepłą wodę podgrzaną dzięki kolektorom. Powinien być co najmniej 1,5 raza większy od dziennego zapotrzebowania domowników na wodę, dzięki temu można będzie korzystać z niej zarówno w dzień, jak i w nocy (Ulrich)

Najważniejszymi elementami instalacji solarnych są kolektory, a ponadto niżej opisane elementy.

Zasobnik solarny. Zbiornik, w którym magazynowana jest ciepła woda. Jego pojemność powinna być od 1,5 do 2 razy większa od dziennego zapotrzebowania na c.w.u., które zwykle mieści się w przedziale 50-80 l wody (o temperaturze 60°C) na jedną osobę:

najmniejsze zbiorniki mają pojemność ok. 125 l;
dla dwuosobowej rodziny przyjmuje się zbiornik 200-300 l;
dla czteroosobowej - 300-600 l.

Zbiornik o pojemności dwa razy większej od dziennego zapotrzebowania mieszkańców na c.w.u. umożliwia korzystanie z ciepłej wody zarówno wieczorem, jak i rano, choć kolektory słoneczne podgrzewają wodę tylko za dnia. Zasobniki dostępne są w dwóch odmianach - zależnie od obiegu, w jakim pracują:

grawitacyjnym, czyli pasywnym - ogrzany czynnik grzewczy płynie do zasobnika, który w takich instalacjach musi się znajdować powyżej kolektorów (dokładniej: jego dolna krawędź - 30 cm ponad nimi);
wymuszonym - czynnik grzewczy wprawiany jest w ruch pracą pompy. Zwykle zasobniki te są biwalentne, czyli z dwiema wężownicami grzejnymi w postaci spirali: jedna podłączona jest do kolektorów, druga do kotła. Jeśli woda podgrzana wcześniej przez kolektory ma wyższą temperaturę od zgromadzonej w dolnej części zasobnika, wtedy regulator włącza pompę. Jeśli niebo jest zachmurzone i woda nie podgrzeje się do nastawionej temperatury, włącza się kocioł. Jeśli zasobnik ma tylko jedną wężownicę, ciepła woda jest dostępna jedynie wtedy, gdy zostanie podgrzana przez kolektory: jeśli cały jej zapas zostanie zużyty (co zwykle się dzieje wieczorem), to w nocy nie będzie już ciepłej wody. Taki zasobnik pracujący samodzielnie, a więc podłączony tylko do kolektorów, jest rozwiązaniem najtańszym, stosowanym np. w domach letniskowych.

Zbiorniki z jedną wężownicą mają grzałkę elektryczną, która przygotowuje c.w.u., gdy kolektor nie pracuje.

Przewody rurowe. Łączą kolektory z zasobnikiem c.w.u.

Pompa cyrkulacyjna. Wymusza obieg czynnika grzewczego przez wymiennik do kolektora. Jest niezbędna, gdy zasobnik pracuje w obiegu wymuszonym (najbardziej efektywne rozwiązanie).

Automatyka sterująca. Steruje pracą instalacji, przetwarza sygnały docierające z czujników temperatury i steruje pompą cyrkulacyjną.

Czynnik grzewczy (medium grzewcze). Najczęściej jest nim niezamarzający płyn - roztwór glikolu; może być nim także woda, jest to jednak rozwiązanie ryzykowne - woda może bowiem zamarznąć w układzie podczas silnych mrozów.

Naczynie wzbiorcze. Wyrównuje ciśnienie powstające w układzie.

Jak to działa?

Pompy solarne wbudowane w stację solarną odpowiadają za wymuszoną cyrkulację czynnika grzewczego wewnątrz układu solarnego (Junkers)

W działaniu instalacja solarna jest podobna do centralnego ogrzewania, z tą różnicą, że tu funkcję podgrzewacza pełni nie kocioł, lecz kolektor, a "paliwem" jest niewyczerpalne źródło energii - słońce. Powierzchnia absorbcyjna kolektora pochłania energię cieplną zawartą w promieniowaniu słonecznym, a ta zostaje przekazana czynnikowi grzewczemu, na przykład glikolowi. Płyn ten jest następnie transportowany z kolektora do zasobnika najczęściej dzięki pracy pompy cyrkulacyjnej. W dolnej części zasobnika ciepło jest oddawane wodzie i czynnik grzewczy zostaje odprowadzony z powrotem do kolektora. Połączenie takiej instalacji z kotłem może być dwojakie, zależnie od tego, czy kolektor instalujemy w nowo budowanym, czy już użytkowanym domu:

w nowo budowanych domach najczęściej instaluje się zasobnik dwuwężownicowy. Ogrzany w kolektorach glikol doprowadzany jest zawsze do dolnej wężownicy zasobnika, a górna wężownica łączy zasobnik z kotłem. Regulatorem ustawia się temperaturę zasobnika na 45-60°C. Kiedy w pochmurny dzień (lub z innego powodu) temperatura spada poniżej ustawionej wartości, kocioł automatycznie się wyłącza i podgrzewa wodę do żądanej temperatury.
w domach użytkowanych najlepszym rozwiązaniem, umożliwiającym wykorzystanie dotychczas funkcjonującego zasobnika, jest podłączenie do niego zasobnika solarnego. Ciepło z kolektorów będzie docierać jedynie do zasobnika solarnego. Podczas poboru ogrzana wstępnie woda zostanie doprowadzona do zasobnika głównego.

Potrzeby i możliwości

Budowa kolektora płaskiego

Żeby specjaliści z firm oferujących kolektory słoneczne mogli dobrać odpowiednią do naszych potrzeb instalację solarną, trzeba przygotować kilka podstawowych informacji.

Po pierwsze - należy określić zadania, jakie mają spełniać kolektory. W naszym klimacie najwyższe zyski ciepła z energii słonecznej przypadają na okres wiosenno-letni, czyli czas, gdy nie ogrzewamy domów. W tym czasie kolektory można wykorzystać do dogrzewania wody do mycia i ewentualnie wody w basenie. W okresach grzewczych mogą jedynie wspomagać pracę systemu grzewczego, gdyż słońca jest po prostu za mało, aby kolektory mogły służyć jako główne źródło ciepła.

Jeśli zadaniem kolektorów ma być:

przygotowanie c.w.u. - trzeba określić liczbę litrów ciepłej wody zużywanej dziennie przez domowników;
przygotowanie c.w.u. i podgrzanie wody w basenie - oprócz zapotrzebowania na ciepłą wodę należy podać firmie pojemność basenu;
wspomaganie c.o. - należy podać charakterystykę instalacji grzewczej oraz dane o stratach cieplnych budynku.

Na podstawie wymienionych danych firma instalacyjna określi zapotrzebowanie na ciepło z instalacji solarnej i obliczy wielkość zasobnika oraz liczbę kolektorów.

Po drugie - trzeba wybrać rodzaj kolektorów. Najlepiej, gdy pomogą nam w tym specjaliści z firmy, do której dostarczymy niezbędne dane. Jest kilka rodzajów kolektorów, spośród których trzeba będzie wybrać ten najwłaściwszy dla nas.

Rurka próżniowa dwuściankowa, typu termos. Między szklanymi ściankami (wewnętrzną i zewnętrzną). Wewnętrzna rurka pokryta jest selektywną powłoką absorbującą – tutaj tworzy się użytkowe ciepło słoneczne

Płaskie niepróżniowe. Głównym elementem takiego kolektora jest płyta stalowa, miedziana lub aluminiowa pokryta absorberem, czyli czarnym chromem, niklem, miedzią lub tlenkiem tytanu, czyli substancją pochłaniającą promieniowanie słoneczne. W najtańszej wersji płyta może być pokryta czarnym lakierem, ale wtedy sprawność kolektora jest nieco mniejsza. Na spodzie płyty znajdują się cienkie rurki, w których płynie czynnik grzewczy - rozcieńczony glikol. Pod rurkami umieszczona jest izolacja cieplna z wełny mineralnej lub pianki poliuretanowej, która redukuje oddawanie nagromadzonego ciepła do znajdującej się niżej płyty z blachy stalowej z powłoką aluminiowo- cynkową. Całość otacza rama kolektora, wykonana z włókna szklanego lub aluminium.

Aby ochronić kolektor słoneczny przed deszczem, gradem czy śniegiem, płytę zabezpiecza się od zewnątrz szybą ze szkła hartowanego lub innego przezroczystego tworzywa.

Próżniowe (rurowe). W kolektorach tych wychwycona energia cieplna zostaje zatrzymana w "cieplnej pułapce", którą jest próżnia. To właśnie dzięki niej kolektory te charakteryzuje bardzo niski współczynnik strat ciepła. Szklane rury kolektora wykonane są ze szkła boro-krzemowego o wysokim współczynniku przepuszczalności światła z promieniowania słonecznego. Mocuje się je szeregowo w izolowanej szynie zbiorczej, w której biegną rurki miedziane zbiorcze.

Ze względu na konstrukcję warstwy izolacyjnej, kolektory próżniowe dostępne są w dwóch odmianach:

jednościankowej - składają się z pojedynczych rurek szklanych, które wypełnia próżnia (spełniająca zadanie izolacji cieplnej). W środku znajdują się elementy absorbujące (najczęściej jest to cienka blacha miedziana lub aluminiowa pokryta warstwą absorbującą), które przekazują ciepło do szyny zbiorczej kolektora. Szyna ta jest izolowana termicznie, co zapobiega tworzeniu się mostków cieplnych;
dwuściankowej - typu termos - składają się z podwójnych rurek typu termos. Wewnętrzną rurkę pokrywa wielowarstwowy absorber typu termos, skąd energia cieplna przekazywana jest do szyny zbiorczej. Przestrzeń wewnątrz obu rurek wypełnia próżnia. Tak jak powyżej, szyna jest termicznie zaizolowana.

Odebranie ciepła od kolektorów próżniowych może przebiegać dwojako:

przez przepływ bezpośredni. Energia cieplna przekazywana jest z warstwy absorbującej do szyny zbiorczej przez rurki o małych przekrojach, w których płynie czynnik grzewczy;
ciepłowodami popularnie nazywanymi - rurkami ciepła (ang. heat pipe). Rurka ta jest zamkniętą kapilarą, w której zachodzą w sposób stały procesy parowania (pobrania ciepła) i skraplania (oddania ciepła). Para zbiera się na kondensatorze rurki ciepła, umieszczonym na jej końcu i skraplając się, oddaje ciepło do instalacji. Roztwór glikolu spływa po wewnętrznej ściance rurki i cały proces się powtarza.

Kolektor rurowy z lustrzaną stalą szlachetną, która umożliwia nagrzewanie kolektora z kierunku przeciwnego do kierunku padania promieni słonecznych

Kolektory rurowe mogą mieć pod rurkami ściankę z lustrzanej stali szlachetnej, dzięki której rurki szklane mogą być nagrzewane także w kierunku przeciwnym do kierunku padania promieni słonecznych. Takie rozwiązanie pozwala wykorzystać zarówno promieniowanie rozproszone, występujące przy zachmurzonym niebie, jak i ukośnie padające promienie słoneczne w zimie.

Po trzecie - trzeba wybrać najlepsze dla kolektorów miejsce. Mamy następujące możliwości:

w połaci dachu - jeśli ma on nachylenie nie mniejsze niż 25°;
na dachu spadzistym, płaskim lub na ziemi - w dwóch ostatnich przypadkach konieczna jest dodatkowa konstrukcja wsporcza przymocowana do dachu;
na ścianie budynku - tak usytuowane kolektory słoneczne są mniej narażone na chłodzące działanie wiatru niż zamontowane na dachu. Mogą też wykorzystać dodatkowe promieniowanie, które odbija się od ziemi i obiektów znajdujących się w pobliżu kolektora.

Najwyższą wydajność mają kolektory ustawione pod kątem 45° do poziomu i skierowane na południe. Jeśli takie ustawienie nie jest możliwe, wybiera się ustawienie w kierunku jak najmniej odchylonym od południa.

Kolektory słoneczne nie mogą być zacienione przez inne budynki ani drzewa.

Pewny wybór!

Im więcej na rynku firm oferujących określony produkt, tym większe ryzyko nieudanego zakupu. W przypadku kolektorów z tego gąszczu ofert można wyłowić te urządzenia, których możemy być pewni. O bezpieczeństwie ich działania i użytkowania świadczyć będą m.in.:

Certyfikat Zgodności - takie oznaczenie wskaże nam produkt zaprojektowany i wykonany zgodnie z dyrektywą o ogólnym bezpieczeństwie produktów (dyrektywa ta wdrożona została do polskiego prawa ustawą z 13 stycznia 2007 r. o ogólnym bezpieczeństwie produktów Dz. U. nr 35, poz. 214). Certyfikat Zgodności wydawany jest przez akredytowaną jednostkę certyfikującą wyroby (JCW). Inne oznaczenia, jakich warto szukać na kolektorach to:

SolarKeymark - jest znakiem zgodności wykonania kolektorów z normami EN 12975/76;1,2:2006; i podlega podobnemu procesowi znakowania, jak w przypadku Certyfikatu Zgodności. Ponadto dopuszcza się w tym przypadku coroczne kontrole prawidłowości funkcjonowania systemu jakości zakładu produkującego kolektory słoneczne.

Niemiecki ekoznak (niem. Umweltbun-desamt) - symbol błękitnego anioła. Podstawowym kryterium nadania tego oznaczenia jest uzyskiwanie przez kolektor rocznej wydajności cieplnej minimum 525 kWh/m² powierzchni apertury (ang. apreture collector area - określa powierzchnię, z której promieniowanie pada na absorber kolektora). Znak błękitnego anioła ma służyć w tym przypadku promocji wykorzystania energii cieplnej pochodzącej ze słońca do wytwarzania c.w.u.

opr.: Emilia Rosłaniec
zdjęcie wprowadzające: Harond

Komentarze