Montaż i działanie kolektorów słonecznych

Promieniowanie cieplne Słońca to jedno z najczęściej wykorzystywanych OZE, pozyskiwanej w kolektorach słonecznych, zasilających instalację ciepłej wody użytkowej, a także ogrzewania.

Potencjał pozyskania energii słonecznej

Na terenie Polski średnie nasłonecznienie emituje w kierunku Ziemi energię o natężeniu, które wynosi ok. 1000 kWh na m² powierzchni w ciągu roku. Jednak jej dopływ w poszczególnych miesiącach jest bardzo zróżnicowany - większość w cyklu rocznym przypada na miesiące "ciepłe" maj-wrzesień, co sprawia, że dopływ ciepła nie odpowiada zwiększonym potrzebom energetycznym w pozostałej części roku.

Bilansując możliwości pozyskania ciepła z takiego źródła, trzeba uwzględnić też efektywność pozyskiwania energii przez urządzenia solarne, która w przypadku kolektorów słonecznych, utrzymuje się na poziomie 40-50% jako wartość średnioroczna. Jednak w okresach silnego nasłonecznienia, moc pobieranej energii sięga nawet 800 W/m² przy dobowym pozyskiwaniu energii na poziomie 6 kWh/m².

Instalacje solarne wykorzystywane są przede wszystkim do przygotowania c.w.u., ale mogą również wspomagać instalacje c.o. w okresach o mniejszym zapotrzebowaniu na ciepło.

Wykorzystując takie źródło ciepła, trzeba jednak pamiętać, że jest ono dość kapryśne, uzależnione od warunków pogodowych, zatem nie gwarantuje ciągłości pozyskiwania energii i wymaga współpracy z tradycyjnymi urządzeniami podgrzewającymi wodę i zapewnienia jej magazynowania.

Praktycznie, na pełne zaspokojenie zapotrzebowania na ciepła wodę pozyskiwaną z kolektorów słonecznych możemy liczyć jedynie w sezonie letnim, natomiast zimą udział energii słonecznej wyniesie przeciętnie 10-15%.

Jak działa kolektor?

Elementem instalacji solarnej, odpowiedzialnym za efektywne pozyskiwanie energii z promieniowania słonecznego, są kolektory instalowane najczęściej na dachu budynku. Do wyboru są dwa podstawowe typy kolektorów - płaskie bądź rurowe - nazywane też próżniowymi, które pod względem efektywności w ciepłych porach roku są bardzo podobne, ale zimą, dzięki zdecydowanie lepszej izolacji termicznej, kolektory rurowe pozyskują więcej ciepła.

Jednak dobra izolacja ma też i swoje wady. Z takiego kolektora trudniej usunąć śnieg poprzez wsteczną cyrkulację czynnika grzewczego i wykorzystać możliwość awaryjnego schładzania przy nadmiernym nagrzaniu instalacji.

W kolektorach płaskich ciepło z promieniowania słonecznego pozyskiwane jest przez rurki miedziane w formie wężownicy lub w układzie równoległym, umieszczone w izolowanej termicznie obudowie przykrytej hartowaną szybą.

Rurki połączone są z absorberem - płytą miedzianą pokrytą powłoką dobrze pochłaniającą energię promieniowania. Kolektory te produkowane są w postaci paneli o powierzchni ok. 2 m², które można łączyć w pakiety w celu uzyskania wymaganej wydajności.

Kolektor płaski EPMH może być umieszczony poziomo na dachu. Fot. Immergas.

Kolektory próżniowe dostępne są w kilku odmianach, różniących się sposobem przekazywania ciepła i dodatkowym wyposażeniem. Kolektory z bezpośrednim przekazywaniem ciepła, w których krąży ciecz grzewcza składają się z zestawu równolegle połączonych dwuściennych rur próżniowych z absorberem i rurkami odbierającymi ciepło.

Pod rurami może być umieszczone zwierciadło kierujące promieniowanie również od tyłu rury (tzw. kolektor CPC). Kolektory z pośrednim przekazywaniem ciepła (tzw. heat-pipe), zamiast rury grzewczej mają wstawiony w rurę próżniową element grzewczy (ciepłowód) wypełniony cieczą o niskiej temperaturze wrzenia.

Podczas ogrzewania ciecz paruje, unosząc się do góry i przekazuje ciepło do kolektora z czynnikiem grzewczym. W efekcie schłodzenia, ciecz skrapla się i ścieka ku dołowi, a cykl przenoszenia ciepła przebiega w sposób ciągły.

Zaletą takiego rozwiązania jest łatwość wymiany pojedynczego elementu w razie uszkodzenia oraz zabezpieczenie przed przegrzaniem czynnika grzewczego przez wbudowany w ciepłowód zawór termostatyczny.

Kolektor rurowy próżniowy Vitosol 300-TM z automatycznie wyłączalnym pokryciem ThermProtect. Fot. Viessmann.

Dobór powierzchni kolektorów uzależniony jest od pożądanej wydajności grzewczej instalacji w przeciętnych warunkach użytkowania, przyjmując najczęściej jako wskaźnik liczbę osób korzystających c.w.u. W praktyce, przy instalacjach w domach jednorodzinnych przyjmuje się, że powierzchnia kolektora powinna wynosić 1,5-2 m²/osobę - zależnie od typu kolektora czy jego lokalizacji.

W przypadku wykorzystania do wspomagania instalacji grzewczej, ich powierzchnię ustala się na podstawie zasadności ekonomicznej, przyjmując średni zysk energetyczny w sezonie grzewczym na poziomie 1 kWh/m² w ciągu doby.

Elementy składowe instalacji solarnej

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.

Przejęta w kolektorze energia słoneczna przekazywana jest za pośrednictwem glikolu do wężownicy umieszczonej w zasobniku, przy czym jego obiegiem steruje pompa cyrkulacyjna. Zostanie ona uruchomiona w przypadku, gdy temperatura cieczy w kolektorze będzie odpowiednio wyższa niż w dolnej strefie zasobnika.

Kompletny zestaw solarny do przygotowania ciepłej wody dla 2-3-osobowej rodziny. Fot. Galmet.

Dobór zasobnika

W przypadku wykorzystywania kolektorów słonecznych do przygotowania c.w.u., akumulację energii zapewniają zasobniki ciepłej wody o pojemności dostosowanej do mocy cieplnej kolektorów i zapotrzebowanie 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 w przeliczeniu na osobę. Teoretycznie większy zasobnik przy dostatecznie dużej powierzchni kolektorów powinien zapewnić efektywniejsze wykorzystanie energii słonecznej, jednak przechowywanie ciepłej wody przez dłuższy czas (bez dogrzewania solarami przy złej pogodzie) wiąże się ze stratami tzw. postojowymi.

Sterowanie instalacją solarną

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

Ochrona przed przegrzaniem

W warunkach intensywnego i długotrwałego nasłonecznienia temperatura wody w zasobniku może przekroczyć 80ºC, co grozi poparzeniem użytkowników, dlatego niezbędne będzie wyposażenie instalacji w zawór mieszający, nastawiony na wypływ wody o temperaturze nie wyższej niż 50-55ºC.

Konieczne jest również zabezpieczenie przed nadmiernym nagrzaniem i wzrostem ciśnienia czynnika solarnego w postaci zaworu bezpieczeństwa z odpływem podłączonym do otwartego naczynia - unikniemy wtedy utraty kosztownego glikolu.

Długotrwała nieobecność użytkowników (wakacje) lub przerwa w dopływie prądu w upalne lato, grozi przegrzaniem instalacji i kłopotliwym ponownym jej uruchomieniem. Do ochrony przed nadmiernym wzrostem temperatury wykorzystywane są różne sposoby, zależnie od rodzaju i konfiguracji i instalacji.

Uniwersalne zastosowanie mają samoczynne żaluzje zakrywające kolektory lub układy rozpraszające nadmiar energii w formie schładzania, np.w instalacji grzewczej domu czy w wymienniku gruntowym.

Ograniczenie zagrożenia przegrzaniem kolektorów płytowych umożliwiają odpowiednio zaprogramowane sterowniki, które uruchamiają przepływ czynnika w trybie krótkotrwałych sekwencji lub w porze nocnej, powodując schładzanie nagromadzonej w zasobniku wody.

Są też specjalne typy kolektorów z elementami absorpcyjnymi reagującymi na wzrost temperatury czynnika. Gdy przekroczy ona, np. 100ºC, zmniejsza się zdolność do przejmowania energii słonecznej.

Wąski i wysoki zasobnik c.w.u. o poj. 250 l z systemem Drain Back. Fot. L. Jampolska.

Dużą skuteczność pod względem ochrony przed przegrzaniem wykazują obiegi solarne typu Drain Back, w których kolektory stosownie do warunków są opróżniane lub napełniane glikolem. Dzięki możliwości samoczynnego, grawitacyjnego opróżniania zabezpieczają instalację również w przypadku awarii prądu.

Autor: Redakcja BudownicwaB2B
Zdjęcie otwierające: De Dietrich Technika Grzewcza
Zdjęcia w tekście: Immergas, Viessmann, Galmet, L. Jampolska