Zasady działania instalacji solarnej

Ile energii można pozyskać ze słońca?

Geograficzne położenie Polski sprawia, że całkowita energia słoneczna docierająca do Ziemi wynosi średnio ok. 1000 kWh na m² jej powierzchni w ciągu roku. Jednak jej dopływ w poszczególnych miesiącach jest bardzo zróżnicowany - ponad ³/₄ tej wartości przypada na miesiące "ciepłe" maj - wrzesień.

Oczywiście nie całą potencjalnie dostępną energię udaje się wykorzystać, gdyż zależy to od efektywności przejmowania ciepła przez urządzenia solarne. Zysk energetyczny tych urządzeń w skali roku wynosi przeciętnie 400 - 500 kWh/m² powierzchni kolektora, a wytwarzane ciepło wykorzystywane jest głównie do podgrzewania wody użytkowej.

W naszym klimacie, tylko w niewielkim stopniu mogą one służyć do ogrzewania pomieszczeń (przede wszystkim w okresie jesiennym i wiosny) choć przy bardzo dobrej ciepłochronności budynku i dużej powierzchni kolektorów udział energii z tego źródła w ogólnym rocznym bilansie grzewczym może być znaczny.

Zamontowanie kolektorów warto rozważyć również ze względu na komfort pozyskania ciepłej wody w przypadku, gdy do ogrzewania domu wykorzystywane są paliwa stałe. W sezonie letnim, gdy instalacja c.o. nie pracuje trzeba rozpalać kocioł do zagrzania wody lub korzystać z drogiej energii elektrycznej.

Elementy instalacji solarnej

Elementem instalacji solarnej odpowiedzialnym za efektywne pozyskiwanie energii z promieniowania słonecznego są kolektory instalowane najczęściej na dachu budynku. Obecnie montuje się dwa typy kolektorów - płaskie bądź rurowe nazywane też próżniowymi.

Pod względem efektywności w ciepłych porach nie ma między nimi wielkiej różnicy, ale zimą, dzięki zdecydowanie lepszej izolacji termicznej kolektory rurowe przekazują więcej ciepła. Dobrą izolację zapewnia bowiem dwuścienna rura osłonowa z próżnią między ściankami.

Kolektor próżniowo-rurowy

Przemyślany dobór poszczególnych elementów instalacji solarnej powinien zapewniać wysoką efektywność pozyskiwania energii słonecznej w różnych warunkach pogodowych, komfort korzystania z ciepłej wody jak i bezpieczne użytkowanie.

Podstawowe elementy takiej instalacji to zespół kolektorów, zasobnik c.w.u., pompa cyrkulacyjna, zbiornik wyrównawczy z zaworem bezpieczeństwa oraz układ sterujący pracą systemu. Instalacja wypełniona jest płynem niezamarzającym (glikolem), a wszystkie elementy układu powinny być dostosowane do pracy w systemach solarnych.

Kolektory słoneczne dobierane są pod względem powierzchni czynnej zależnie od wymaganej wydajności pozyskiwania ciepła. Ich wielkość będzie kompromisem pomiędzy możliwością korzystania z energii słonecznej w korzystnych i niekorzystnych warunkach pogodowych w ciągu całego roku.

W praktyce, przy instalacjach w domach jednorodzinnych przyjmuje się, że powierzchnia kolektora powinna wynosić ok. 2 m²/osobę przy montowaniu kolektorów płaskich i ok. 1,5 m²/osobę przy kolektorach próżniowych.

Magazynowanie ciepłej wody w domu

Korzystanie z energii słońca charakteryzuje się bardzo dużą nierównomiernością pozyskiwanej mocy zarówno w krótkich przedziałach czasowych jak i w dłuższych okresach. Dodatkowo prognozowanie ilości pozyskiwanej energii utrudnia nieprzewidywalność tych zmian - są okresy, gdy wytwarzany jest nadmiar energii przekraczający aktualne zapotrzebowanie jak i całkowity brak jej dostarczania.

Dlatego w celu zapewnienia równomiernego dostępu do ciepłej wody konieczne będzie magazynowanie energii, a także zapewnienie współpracy z konwencjonalnymi źródłami ciepła. W przypadku wykorzystywania kolektorów słonecznych do przygotowania c.w.u. akumulację energii zapewniają zasobniki ciepłej wody o pojemności dostosowanej do mocy cieplnej kolektorów jak i zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową.

Z reguły są to zbiorniki z ładowaniem warstwowym, z dwiema wężownicami - jedną współpracującą z kolektorem, a drugą zasilaną z kotła gazowego, węglowego bądź wyposażone w grzałkę elektryczną. Przeciętnie, przyjmuje się, że zasobnik powinien mieć pojemność 80 - 100 litrów na potrzeby 1 osoby.

Teoretycznie większy zasobnik przy dostatecznie dużej powierzchni kolektorów powinien zapewnić efektywniejsze wykorzystanie energii słonecznej, jednak przechowywanie ciepłej wody przez dłuższy czas wiąże się ze stratami tzw. postojowymi przez izolację cieplną zasobnika i schłodzeniem wody w zbiorniku.

Pracą układu solarnego kieruje mniej lub bardziej rozbudowany system sterowania, który powinien zapewniać komfortowe korzystanie z ciepłej wody niezależnie od warunków pogodowych. Najczęściej to zintegrowany panel wyposażony w pompę i układ elektroniczny współpracujący z czujnikami temperatury, zaworami i wyłącznikami elektrycznymi.

Zalecany jest też montaż termostatycznego zaworu mieszającego na zasilaniu instalacji c.w.u. co uchroni użytkowników przed poparzeniem - przy długotrwałym intensywnym nasłonecznieniu w zasobniku woda może osiągać temperaturę ponad 75° C.

Kolektory płaskie

Wymagania montażowe instalacji solarnej

Kolektory słoneczne montuje się z reguły na dachach spadzistych o nachyleniu 30 - 45° z połacią dachową skierowaną na południe z dopuszczalnym odchyleniem 45° w kierunku wschodnim lub zachodnim.

W przypadku dachów płaskich montaż kolektorów wymaga zastosowania odpowiednich wsporników utrzymujących je pod pożądanym kątem, a jednocześnie zapewniających stabilne, odporne na silne wiatry zamocowanie. Montaż na dachu odbywa się najczęściej za pośrednictwem specjalnych uchwytów dostosowanych do rodzaju pokrycia przy czym muszą być one mocowane do konstrukcji dachowej.

W budynku trzeba też znaleźć miejsce na ustawienie zasobnika ciepłej wody, przy czym powinien on znajdować się w możliwie małej odległości od kolektorów ze względu na straty ciepła przez rury z krążącym glikolem. Przy montażu instalacji solarnej należy zwrócić uwagę na zapewnienie kompensacji połączeń między poszczególnymi kolektorami jak też staranne uszczelnienie przejścia rur przez połać dachową.

Elementy te podlegają bardzo dużym zmianom temperatury, w wyniku czego kurczą się i rozszerzają co może wywoływać naprężenia w elementach instalacji kończące się rozszczelnieniem układu. Instalacja solarna wymaga zamontowania zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia, gdy w słoneczne dni lub w wyniku unieruchomienia pompy czynnik grzewczy osiągnie temperaturę wrzenia.

Taką rolę pełni zawór bezpieczeństwa, który otworzy się gdy nadmiernie wzrośnie ciśnienie i opróżni instalację. Opróżnienie instalacji powinno odbyć się do otwartego zbiornika aby uniknąć strat drogiego płynu. Ochronę przed przegrzaniem np. przy dłuższej nieobecności użytkowników w upalne lato zapewniają ręcznie lub samoczynnie sterowane żaluzje zakrywające kolektory słoneczne.

Są też specjalne typy kolektorów z elementami absorpcyjnymi reagującymi na wzrost temperatury czynnika. Gdy przekroczy ona np. 120° C zmniejsza się zdolność do przejmowania energii słonecznej.

Ograniczenie zagrożenia przegrzaniem umożliwiają też odpowiednio zaprogramowane sterowniki, które uruchamiają przepływ czynnika w porze nocnej powodując schładzanie nagromadzonej w zasobniku wody (kolektor działa wtedy jak chłodnica).

autor: Redakcja BudownicwaB2B
oprac.: Maja Wychowaniec
zdjęcie otwierające: De Dietrich
zdjęcie w tekście: De Dietrich, Hewalex