Udział energii słonecznej w bilansie energetycznym budynku

Można powiedzieć, że pozyskiwanie energii słonecznej poprawia bilans energetyczny budynku - zużywamy mniej nieodnawialnych i wciąż drożejących paliw, nie tracąc przy tym nic z komfortu. Nie ograniczamy przecież zużycia ciepłej wody, ani nie obniżamy temperatury w pomieszczeniach. Co więcej, dzięki darmowej energii słonecznej, możemy zdecydować się na pewne luksusowe rozwiązania, bez obaw, że koszty użytkowania nas przerosną. Może to być np. podgrzewany basen.

Jak duży udział w bilansie energetycznym budynku może mieć energia słoneczna? W skrajnych przypadkach, np. dużej instalacji z ogniwami fotowoltaicznymi, z której chwilowe nadwyżki prądu przekazujemy do sieci, dom może wytwarzać w skali roku więcej energii, niż zużywa. Nie oznacza to jednak samowystarczalności. Bilans jest dodatni, ale latem oddajemy do sieci nadmiar energii, a zimą uzupełniamy jej niedobór. Jednak dla znakomitej większości ludzi takie instalacje są zbyt drogie, a ekonomiczny ich sens, najdelikatniej mówiąc, wątpliwy.

W praktyce najczęściej spotykane rozwiązanie to wykorzystanie kolektorów słonecznych do przygotowania ciepłej wody użytkowej. W budynku energooszczędnym w większym stopniu odczujemy ich wpływ na bilans energetyczny niż w standardowym. Wynika to z faktu, że ilość energii zużywana na potrzeby c.w.u. jest stała, niezależnie od tego, ile ciepła pochłania ogrzewanie. W domu energooszczędnym i standardowym (a tym bardziej starym, energochłonnym) proporcje c.w.u. / ogrzewanie będą zupełnie inne.

Ile ciepła pochłania w ciągu roku przygotowanie c.w.u.?

Zakładamy zużycie c.w.u. dla 4 osób, wynoszące 200 l dziennie. Przy podgrzaniu z 10°C (woda wodociągowa) do 45°C mamy różnicę 35 kelwinów (K). Uwzględniając ciepło właściwe wody (4,2 kJ/(kg·K)) otrzymujemy:

200 l × 365 dni × 35 K × 4,2 kJ = 10731000 kJ = 2981 kWh

Oczywiście, indywidualne różnice mogą być bardzo duże, w zależności od upodobań domowników. Jednak orientacyjnie możemy przyjąć, że przygotowanie c.w.u. pochłania rocznie ok. 3000 kWh. Typowy nowy polski dom zużywa zaś rocznie na ogrzewanie i wentylację ok. 100 kWh energii na 1 m² powierzchni użytkowej. Dla przeciętnego budynku jednorodzinnego o powierzchni 150 m² daje to:
100 kWh/m² × 150 m² = 15 000 kWh

W takim domu 3000 kWh na przygotowanie c.w.u., to w porównaniu z ogrzewaniem niezbyt wiele - ok. 20%.

Jeśli jednak potrzeby energetyczne budynku obniżymy do poziomu 40 kWh/(m²·rok), otrzymamy:
40 kWh/m² × 150 m² = 6000 kWh

W tym przypadku, c.w.u. pochłania już połowę tego, co ogrzewanie.

Co się stanie, jeśli pójdziemy jeszcze dalej i obniżymy zużycie energii do poziomu 15 kWh/(m²·rok)?
15 kWh/m² × 150 m² = 2250 kWh

A do podgrzania ciepłej wody wciąż potrzebujemy 3000 kWh.

Jak widać, jest o co walczyć, zaś im bardziej energooszczędny standard wyznaczymy, tym bardziej odczujemy wpływ c.w.u. na całkowite zużycie energii.

Ile ciepła daje słońce?

W Polsce roczna suma energii promieniowania słonecznego wynosi ok. 1000 kWh na 1 m² powierzchni. Znaczy to, że w ciągu roku każdy metr kwadratowy działki otrzymuje w przybliżeniu tyle energii, ile uzyskujemy ze spalenia 100 m³ gazu ziemnego. Załóżmy teraz, że mamy energooszczędny budynek o powierzchni 150 m², który potrzebuje rocznie 40 kWh/m². Daje to 6000 kWh. Teoretycznie dla zaspokojenia jego potrzeb energetycznych wystarczyłoby więc "zebrać" energię słoneczną padającą na zaledwie 6 m² działki! W praktyce jest jednak o wiele, wiele gorzej.

Nie umiemy oczywiście w 100% wykorzystać docierającej do nas energii, choć oczywiście konstrukcje kolektorów są wciąż udoskonalane. Zasadnicze ograniczenie wynika jednak z czynników od nas niezależnych, będących konsekwencją naszego położenia geograficznego. Rozkład promieniowania w poszczególnych porach roku jest bardzo nierównomierny. 80% energii słonecznej trafia do nas w okresie od początku kwietnia do końca września, czyli w czasie, kiedy praktycznie nie musimy ogrzewać domów. Za to łącznie na grudzień, styczeń i luty przypada zaledwie ok. 6%.

Nie powinien zatem dziwić fakt, że w naszej strefie klimatycznej nie możemy obyć się bez instalacji grzewczych, wykorzystujących kotły czy pompy ciepła, a kolektory jedynie je wspomagają, przygotowując c.w.u. lub dogrzewając budynek w okresach przejściowych.

Jarosław Antkiewicz