Kolektory słoneczne - warunki montażu, dobór urządzeń

W tym artykule ograniczymy się do zagadnień związanych z montażem instalacji solarnych do wspomagania podgrzewu c.w.u. Oczywiście, w teorii nic nie stoi na przeszkodzie, żeby w ramach modernizacji domu - wyposażyć go również w instalację do wspomagania ogrzewania. W praktyce jest to jednak bardzo trudne. I to z kilku powodów:

• aby pozyskana ze słońca energia cieplna mogła w okresie zimy (mrozów) stanowić znaczący element w bilansie energetycznym budynku, trzeba zainstalować kolektory o wielokrotnie większej mocy niż wymagana do sprawnego podgrzewania c.w.u. (dla domu o powierzchni 150 m² przynajmniej ok. 30 m²), co oznacza wysokie koszty inwestycji;
• jak dużego pola kolektorów byśmy nie zainstalowali, to i tak temperatura wody przez nie podgrzanej nie przekroczy zimą 40-45°C, co sprawia, że ciepło można wykorzystać jedynie w systemie ogrzewania płaszczyznowego (a więc podłogowego, sufitowego lub ściennego);
• duża moc kolektorów stwarza problem wykorzystania nadmiaru ciepła latem, kiedy słońce operuje najintensywniej, a domu ogrzewać nie trzeba.

Decyzja o budowie instalacji wspomagającej ogrzewanie jest zatem ryzykowna, szczególnie w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami o porównywalnych kosztach (np. pompa ciepła). Powinna być bezwzględnie poprzedzona obliczeniami, uwzględniającymi zapotrzebowanie na ciepło w konkretnym budynku, oraz analizą ekonomiczną przedsięwzięcia. Ogólne spekulacje mogą raczej zaszkodzić niż pomóc ewentualnym chętnym.

Kiedy i dlaczego warto

Montaż solarnej instalacji do wspomagania podgrzewu c.w.u. jest wskazany zwłaszcza w dwóch sytuacjach:

• kiedy budynek jest ogrzewany kotłem na paliwo stałe;
• kiedy do podgrzewania wody wykorzystuje się drogie nośniki energii, jak prąd elektryczny, gaz płynny, czy olej opałowy.

Uzasadnienie jest proste - w domach ogrzewanych kotłem na paliwo stałe przygotowanie ciepłej wody poza sezonem grzewczym jest bardzo kłopotliwe. Trzeba albo specjalnie rozpalać kocioł, albo (opcja możliwa tylko w przypadku kotłów z podajnikiem) dławić go całymi godzinami na biegu jałowym, co bardzo niekorzystnie wpływa na sprawność energetyczną urządzenia, lub też korzystać z drogiej energii elektrycznej, co przesuwa rozważania do punktu drugiego.

Z kolei przygotowanie c.w.u. przy użyciu energii elektrycznej jest drogie, podobnie jest w przypadku używania kotła na gaz płynny czy olej opałowy. Dodajmy, że w okresie letnim - kiedy solary są najbardziej pomocne - podgrzewanie wody kosztuje znacznie więcej niż zimą, gdyż prawie zawsze kocioł startuje do ogrzewania zasobnika zimny, a po nagrzaniu go nie rozprowadza pozostałego ciepła w instalacji c.o., jak w sezonie grzewczym, tylko stygnie bez żadnego pożytku.

Z tego względu montaż instalacji solarnej jest uzasadniony nawet w domach wyposażonych w kotły zasilane gazem ziemnym, a w przypadku droższych paliw, opłacalność inwestycji jest - szczególnie dla większych rodzin - bezdyskusyjna, bo kolektory nie tylko ogrzeją wodę, ale zrobią to niemal za darmo.

Warunki montażu

Budowa typowej instalacji solarnej nie jest skomplikowana. Dwa zasadnicze elementy to kolektory, odbierające ciepło od promieni słonecznych, oraz zbiornik ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), montowany zwykle w kotłowni. Nośnikiem ciepła ze słońca jest tzw. płyn solarny, czyli wodny roztwór glikolu (chodzi o to, by ciecz nie zamarzła w temperaturze poniżej zera). Płyn ten tłoczy do kolektora pompa zainstalowana przy zasobniku. Tam ogrzewa się on i wraca rurą powrotną, by oddać ciepło w wężownicy zbiornika c.w.u.

Schemat typowej instalacji solarnej do wspomagania podgrzewu c.w.u.

W przypadku zakładania instalacji solarnej w istniejącym budynku trzeba zatem ocenić możliwość:

• montażu kolektorów słonecznych w lokalizacji zapewniającej odpowiednie nasłonecznienie i w miarę nieodległej od reszty instalacji;
• wygospodarowania miejsca na zasobnik wody grzewczej (oraz solarny zestaw pompowy, montowany zwykle obok niego, a niekiedy bezpośrednio na zbiorniku);
• połączenia kolektorów z zasobnikiem c.wu. właściwie zaizolowanymi termicznie (a więc umieszczonymi w dość grubej otulinie) przewodami solarnymi.

Jeśli warunki na dachu są niekorzystne, kolektory można zamontować na ścianie budynku lub na gruncie. W przypadku kolektorów rurowych, niekorzystne ustawienie całego panelu można skorygować poprzez odpowiednie obrócenie poszczególnych rur próżniowych (fot. Hewalex)

Kolektory słoneczne. Jeżeli chodzi o lokalizację kolektorów, to tak naprawdę ważne jest tylko jedno ograniczenie - przez większą część dnia musi oświetlać je słońce. Jeśli kolektory nie mogą zostać skierowane prosto na południe, to ze względów klimatycznych orientacja na południowy zachód jest lepsza niż na południowy wschód (to dlatego, że w naszym klimacie zamglenia, zatrzymujące promieniowanie słoneczne, występują częściej rano niż po południu).

Rodzaj dachu - płaski, skośny itd. - nie ma większego znaczenia, bowiem dostępne są zestawy montażowe pozwalające na montaż kolektorów na dachu o praktycznie dowolnym nachyleniu i pokryciu. Warto jednak pamiętać, że choć miejsca na kolektory słoneczne szukamy zwykle właśnie tam, to wcale nie jest to jedyna możliwa lokalizacja.

W wielu wypadkach kolektory można zainstalować na ścianie budynku, a także bezpośrednio na gruncie. W niekorzystnych warunkach, kiedy kolektora płaskiego nie da się zamontować w sposób zapewniający mu właściwą orientację względem słońca, rozsądnym wyjściem może być wybór kolektorów rurowych (poszczególne rury można w nich obrócić tak, aby poprawić ekspozycję).

Zasobnik c.w.u. W przypadku budowania od podstaw instalacji c.w.u. z solarnym wspomaganiem, standardowo montuje się zasobnik ciepłej wody wyposażony w dwie wężownice, z których jedna (dolna) służy do przyłączenia kolektorów, a druga - kotła (lub pompy ciepła), wspomagającego podgrzew wody w okresach słabego nasłonecznienia. Natomiast w sytuacji, gdy modernizujemy istniejącą już instalację, możliwe są dwa sposoby postępowania. Najbardziej popularny to montaż zasobnika solarnego zamiast zwykłego jednowężownicowego, ogrzewanego przez kocioł.

Warto jednak pamiętać, że jeśli miejsca w kotłowni mamy wystarczająco dużo, a istniejący zasobnik c.w.u. jest w dobrym stanie, to można ograniczyć koszty inwestycji, rezygnując z zakupu zasobnika solarnego. Zamiast niego można kupić tańszy, jednowężownicowy, i połączyć go szeregowo z zasobnikiem ogrzewanym przez kocioł (pod warunkiem, że wężownica będzie miała powierzchnię odpowiednią dla pracy solarnej), tak by woda z wodociągu najpierw przepływała przez zbiornik ogrzewany przez wężownicę solarną, a potem przez zasobnik ogrzewany przez kocioł (lub grzałkę).

Co ważne, takie rozwiązanie jest nie tylko tańsze, ale pozwala na lepsze wykorzystanie energii słonecznej w okresach przejściowych (wężownica solarna oddaje ciepło zimnej wodzie napływającej z wodociągu, a nie letniej, podgrzewanej od góry przez wężownicę kotłową i zmieszanej z wodą powrotną z układu cyrkulacji).

Schemat instalacji solarnej zbudowanej w wyniku szeregowego połączenia zbiornika ogrzewanego przez kolektory i klasycznego zasobnika ogrzewanego przez kocioł

Przewody. W najczęściej spotykanej w praktyce konfiguracji - kolektory słoneczne na dachu, zasobnik c.w.u. w kotłowni zlokalizowanej w piwnicy lub na parterze - niemal regułą jest prowadzenie przewodów solarnych kanałem wentylacyjnym do komina. Wszystko będzie w porządku, jeśli mamy do dyspozycji wolny kanał. Jeżeli jednak przewody można poprowadzić tylko tym kanałem, który pełni rolę przewodu wywiewnego dla kotłowni, sprawa mocno się komplikuje.

Po pierwsze, prowadzenie jakichkolwiek przewodów w czynnych kanałach wentylacyjnych jest zabronione. Po drugie, kiedy światło przewodu wentylacyjnego zostanie nadmiernie zwężone, to zakłóci to wentylację kotłowni, co może prowadzić do nieszczęść dużo gorszych niż sprzeciw kominiarza.

Na szczęście, przewody solarne położone w kanale wentylacyjnym traktować można tak, jak przewody w pomieszczeniu ogrzewanym - są owiewane ciepłym powietrzem, zatem izolacja cieplna nie musi być tak gruba, jak w przypadku prowadzenia ich na zewnątrz budynku. Gdy jednak tylko ten drugi sposób prowadzenia przewodów jest jedynym możliwym, należy zaizolować je jak najstaranniej, bo niedbalstwo może poważnie wpłynąć na opłacalność całej inwestycji.

Dobór urządzeń

Przeciętnej, czteroosobowej rodzinie do wspomagania podgrzewania c.w.u. w typowej instalacji wystarczą 2-3 kolektory płaskie o powierzchni 5-7 m² (płaskie) lub 4-5 m² (próżniowe). Takie zestawy - wraz z odpowiednim, najczęściej 300-litrowym zasobnikiem - oferowane są w gotowych do montażu pakietach. W innych przypadkach konieczne jest fachowe dopasowanie rozmiarów systemu solarnego do liczby i potrzeb mieszkańców oraz do - istniejących lub planowanych - urządzeń grzewczych w budynku.

Typowa instalacja do wspomagania podgrzewu c.w.u. dla czteroosobowej rodziny wymaga montażu 2-3 kolektorów płaskich o powierzchni 5-7 m². Przewymiarowanie jej nie ma sensu zarówno z technicznego, jak i z ekonomicznego punktu widzenia (fot. Hewalex)

Zwiększanie powierzchni kolektorów ponad wartości wynikające z wyliczeń jest (poza wyjątkowymi sytuacjami) błędem, bo zimą zysk energetyczny będzie i tak znikomy, natomiast w okresie letnim większa niż potrzeba ilość ciepłej wody na nic się nie zda. Przewymiarowanie instalacji nie ma przy tym sensu - zarówno z punktu widzenia technicznego (bo problemy z nadmiarem ciepła latem mogą prowadzić do awarii), jak i ekonomicznego (instalacja większa, czyli droższa, będzie amortyzować się dłużej).

Jeżeli ważne są po prostu oszczędności na kosztach przygotowania c.w.u., a nie ma znaczenia, że osiągane one będą głównie późną wiosną, latem i wczesną jesienią, to tańsze kolektory płaskie będą niemal zawsze lepszym wyborem. Całoroczne oszczędności na kosztach przygotowania c.w.u. zapewni zastosowanie kolektorów rurowych, ale - ze względu na ich wyższą cenę - okres zwrotu inwestycji może być nieco dłuższy, jest więc to wariant dla bardziej wymagających inwestorów.

Jak już wspomniano, ich zastosowanie może być też wskazane w przypadku, kiedy możliwość zmiany orientacji poszczególnych rur kolektora pozwala nadrobić straty wynikające z tego, że nie sposób zamontować go w sposób optymalny.

Jednak generalnie - powtórzmy - kolektory płaskie to lepszy wybór, a w szczególności dotyczy to instalacji współpracujących z kotłami na paliwa stałe. Kolektory próżniowe są bowiem rzeczywiście nieco efektywniejsze od płaskich, lecz tylko w niskiej temperaturze i przy słabym oświetleniu, a więc podczas sezonu grzewczego, kiedy to i tak wodę ogrzewa kocioł.

Tak samo ważną rolę jak kolektory, pełni w instalacji solarnej zasobnik c.w.u. Powinien mieć on pojemność od 1,5 do 2 razy większą, niż wynosi dobowe zużycie c.w.u. przez mieszkańców, co w przypadku 4-osobowej rodziny oznacza 300-400 l. Oszczędzanie nie ma sensu, bo zbyt mały zbiornik nie zmagazynuje odpowiedniej ilości ciepła, zatem nawet latem przy słonecznej pogodzie wodę będzie musiała dogrzewać grzałka.

Z kolei kupowanie za dużego zbiornika też do niczego dobrego nie prowadzi, bo przy umiarkowanym nasłonecznieniu woda będzie ogrzewana niewystarczająco, co także spowoduje konieczność jej dogrzewania.

Bardzo istotny wpływ na opłacalność inwestycji w instalację solarną mają straty postojowe zbiornika (ilość ciepła traconego, gdy nie jest pobierana ciepła woda - to kwestia jakości jego izolacji cieplnej). Solidni wytwórcy podają ten parametr w katalogach (np. w kWh/24 h). Ważna jest też skuteczność zabezpieczenia przed korozją, bo bezpośrednio wiąże się ona z przewidywanym czasem eksploatacji (na pewno warto szukać wyrobów o możliwie długiej gwarancji).

Dobra izolacja przewodów ma ogromne znaczenie dla sprawności instalacji solarnej, bo pracuje ona także (a nawet głównie) w warunkach zaledwie kilkustopniowej różnicy temperatury między kolektorami a zasobnikiem ciepłej wody. Ochłodzenie płynu solarnego o stopień czy dwa może więc sprawić, że większość ciepła, zamiast trafić do zbiornika, zostanie stracona (fot. Armacell)

Równie ważna, jak w wypadku zbiornika, jest jakość izolacji termicznej przewodów, w których krąży mieszanka glikolu z wodą. Występujące tam straty ciepła mają ogromny wpływ na sprawność instalacji solarnej, bo pracuje ona także (a nawet głównie) w warunkach zaledwie kilkustopniowej różnicy temperatury między kolektorami a zasobnikiem ciepłej wody. Ochłodzenie płynu solarnego o stopień czy dwa może więc sprawić, że większość ciepła, zamiast trafić do zbiornika, zostanie stracona.

Jakość przewodów solarnych ma też duże znaczenie dla trwałości inwestycji, bo jeśli izolacja zacznie po kilku latach parcieć i rozpadać się, to właściwie jedynym wyjściem będzie zakup nowych.

Warto postawić na nowe

Wszystkim decydującym się obecnie na montaż kolektorów wypada polecić wciąż mało jeszcze popularne instalacje solarne typu drain back, czyli tzw. bezciśnieniowe. Rozwiązanie tego typu polega na tym, że pompa pobiera płyn solarny ze zbiornika i tłoczy do kolektora słonecznego, skąd spływa on na dół siłami grawitacji, a po przepłynięciu przez wężownicę – znów jest zasysany przez pompę i tłoczony na górę.

Instalację tego rodzaju nieco trudniej wykonać (konieczne jest zachowanie odpowiednich spadków przewodów), znikają za to problemy ze szczelnością (brak ciśnienia wstępnego) i odpowietrzaniem. I co najważniejsze, nie ma groźby przegrzania zasobnika c.w.u. ani zagotowania płynu w kolektorach w sytuacji, gdy odbiór ciepła jest niewystarczający (np. podczas nieobecności mieszkańców), bo kiedy woda w zbiorniku jest już wystarczająco ciepła, pompa kończy pracę i cały płyn z instalacji spływa na dół do zbiornika.

Adam Jamiołkowski
fot. otwierająca: Armacell