Oni zyskują, gdy słońce praży! Kolektory słoneczne to najtańszy sposób na ciepłą wodę w domu

Wodę możemy podgrzewać bardzo tanio, w sposób przyjazny dla środowiska, bo wykorzystując głównie energię odnawialną oraz bez konieczności angażowania się w bieżącą obsługę. Nie nosimy opału, nie rozpalamy itd. - jednak tu kryje się pewien haczyk!

Budowa zarówno układu z pompą ciepła, jak i z kolektorami nie jest skomplikowana. Ale trzeba go koniecznie wykonać w nieco inny sposób, niż gdy ciepłą wodę zapewnia wyłącznie kocioł. Tylko biorąc pod uwagę te odmienności możemy liczyć na efektywną i tanią pracę całości. Wszelkie zaniedbania zemszczą się zaś bardzo boleśnie, dlatego naprawdę warto poznać specyficzne wymagania systemów c.w.u. z pompą ciepła lub kolektorami. W artykule podpowiadamy, jak podgrzewać wodę za pomocą kolektorów słonecznych, natomiast pompami ciepła do c.w.u zajmiemy się w oddzielnym poradniku.

System solarny, czyli z kolektorami słonecznymi, w swym działaniu przypomina układ z kotłem. Tu także mamy źródło ciepła oraz zbiornik c.w.u., w którym gromadzimy zapas ciepłej wody do mycia. Niestety, te analogie mogą nas sprowadzić na manowce. Krótko mówiąc, typowa instalacja c.w.u., działająca bardzo dobrze w połączeniu z kotłem, najprawdopodobniej okaże się zupełnie niewydolna, jeżeli zacznie ją zasilać pompa ciepła lub kolektory. Co więcej, taka prosta wymiana samego źródła ciepła może doprowadzić nawet do przedwczesnego zużycia pompy ciepła oraz awaryjnego wyłączania się instalacji solarnej i spadku jej trwałości.

Tylko ze zbiornikiem o większej pojemności!

Kotły mogą przygotowywać c.w.u. na dwa sposoby. Jednofunkcyjne podgrzewają ją w zbiorniku (zasobniku, wymienniku), niejako na zapas. Kotły dwufunkcyjne robią to przepływowo, dopiero po odkręceniu kranu. Wszystkie pompy ciepła działają natomiast jak urządzenia jednofunkcyjne, muszą więc być wyposażone w zbiornik ciepłej wody. To samo dotyczy systemów solarnych. W nich podgrzewany w kolektorach słonecznych płyn niezamarzający kierowany jest do wężownicy umieszczonej wewnątrz zasobnika wody. W ten sposób ciepło słoneczne podgrzewa c.w.u. W obu systemach bez zbiornika się więc nie obejdzie. Co więcej, powinien on być wyraźnie większy, niż wariant przeznaczony do współpracy z kotłem oraz musi mieć specjalną konstrukcję.

Kolektory zamieniają energię promieniowania słonecznego na ciepło, natomiast z paneli PV uzyskujemy prąd elektryczny. Nie można mylić tych dwóch systemów, fot. Hewalex

Zarówno w układzie z pompą ciepła jak i z kolektorami słonecznymi zbiornik o ponadstandardowej wielkości jest absolutnie niezbędny. W każdym z tych przypadków dzieje się tak z nieco innych powodów, jednak ostatecznie efekt jest ten sam. W przypadku systemów solarnych musimy się liczyć z tym, że nie zawsze woda będzie tak gorąca, jak byśmy sobie tego życzyli. Jednak sytuacja jest trudniejsza. Nie od nas zależy, kiedy kolektory słoneczne dostarczają ciepło. Jesteśmy uzależnieni od nasłonecznienia, czyli nie możemy włączyć lub wyłączyć źródła ciepła. Duży zapas wody jest więc absolutnie niezbędny, żebyśmy mogli wygodnie korzystać z c.w.u. To swoisty bufor, ważny nie tylko dla wygody, ale chroniący również przed nadmiernym wzrostem temperatury wody w instalacji, gdy nasłonecznienie jest największe.

Ile wody potrzebujemy?

Przyjmijmy, że standardowa pojemność to taka, która jest wystarczająca w przypadku kotła. Czytelnicy nieco lepiej zorientowani w temacie od razu zauważą, że takie określenie problemu jest co najmniej niejasne. Przecież należałoby określić o jakim kotle piszemy. W przypadku kotłów zasypowych na węgiel lub drewno, a więc takich, gdzie paliwo trzeba uzupełniać ręcznie, tradycyjnie zaleca się stosowanie przelicznika 50 l na osobę (domownika), co daje 200 l w przypadku 4-osobowej rodziny. Natomiast w przypadku kotłów gazowych oraz kotłów z podajnikiem paliwa (np. na pellety) zupełnie dobrze sprawdzają się zbiorniki wyraźnie mniejsze, około 120 l.

Dzieje się tak, gdyż w tym drugim przypadku kocioł sam, w pełni automatycznie, zaczyna podgrzewać wodę po częściowym wyczerpaniu jej zapasu. O ile więc nie opróżnimy go całkowicie w krótkim czasie, żeby np. napełnić wannę, to nawet nie zauważymy, że zapas gorącej wody był już uzupełniany w czasie, gdy braliśmy prysznic. Współczesne kotły działają bowiem w tzw. trybie priorytetu c.w.u., co znaczy, że w pierwszym rzędzie automatycznie najpierw uzupełniają zapas wody do mycia. Zaś wyłączenia ogrzewania wnętrz na kilka lub kilkanaście minut, po to aby przekierować dużą moc na c.w.u. zwykle nawet nie zauważymy. Jednak nawet jeżeli przyjmiemy jako standard pojemność 200 l dla 4 osób, to w przypadku pomp ciepła oraz układów z kolektorami będzie to zaledwie dopuszczalne minimum. Pożądana pojemność będzie zaś większa i wyniesie ok. 300 l.

Wyłącznie z dużą wężownicą

Duży zasobnik wody to nie wszystko. Zarówno w układzie z pompą ciepła, jak i kolektorami słonecznymi taki zasobnik powinien być ponadto wyposażony w wężownicę o bardzo dużej powierzchni. Inaczej wymiana ciepła może nie być wystarczająco efektywna. W przypadku systemów solarnych sytuacja jest skomplikowana. Tu najczęściej stosuje się zbiorniki z dwoma wężownicami. Większą, umieszczoną u dołu, zasilają kolektory. Przy silnym nasłonecznieniu ona wystarcza. Natomiast, gdy słońca jest mniej ma ona za zadanie wstępnie podgrzać wodę. Po podgrzaniu woda unosi się samoistnie ku górnej części zbiornika. Tam znajduje się druga wężownica zasilana przez kocioł, ewentualnie pompę ciepła. Ona ostatecznie dogrzewa wodę do pożądanej temperatur. Drugą wężownicę może też zastąpić grzałka elektryczna. Taki podwójny układ umożliwia dobre wykorzystanie ciepła niesionego nawet przez niezbyt rozgrzany płyn solarny.

Jak wykorzystać kolektor słoneczne do podgrzewania wody w domu?

Instalacja solarna, czyli z kolektorami słonecznymi, służy przede wszystkim do podgrzewania c.w.u. Przy czym jest ona uzupełnieniem systemu zasilanego przez pompę ciepła lub kocioł. Sama zaś nigdy go całkowicie nie zastąpi. Chociaż jest to więc w zasadzie osobny układ, to jednak wymaga on wspomagania, swoistego uzupełnienia przez inne źródło ciepła - kocioł, pompę lub grzałkę.

Podstawową zaletą systemu solarnego z kolektorami są bardzo niskie koszty eksploatacji. W korzystnych warunkach są one niemal zerowe, gdyż energia słoneczna jest darmowa, zaś energii elektrycznej zużywa się znikomą ilość - jest potrzebna tylko do zasilania pompy obiegowej płynu solarnego. Ta ma zaś maksymalnie kilkadziesiąt watów mocy. Nie ma tańszego sposobu podgrzewania wody w domu.

Niestety, taki system ma pewne istotne ograniczenia. W zasadzie podgrzewanie wody wyłącznie słońcem jest możliwe tylko przy słonecznej pogodzie wiosną i latem. Natomiast nawet bardzo duży system solarny nie zapewni nam wody o wystarczającej temperaturze przez okrągły rok. Właśnie temperatura jest tu sprawą kluczową. Przy słabym nasłonecznieniu i niskiej temperaturze zewnętrznej, w szczególności zimą, płyn wypełniający kolektory będzie najwyżej letni, nigdy zaś gorący (ponad 40°C). W efekcie za ich pomocą uda się jedynie wstępnie podgrzać wodę, np. do 30°C. Do wystarczającej do mycia wartości, czyli przynajmniej 40°C, trzeba ją będzie jeszcze dodatkowo podgrzać. Zrobimy to właśnie za pomocą kotła, pompy ciepła lub elektrycznej grzałki. Oczywiście, nawet wtedy koszty przygotowywania c.w.u. bardzo wyraźnie spadną.

Przecież wodę będziemy podgrzewać już nie od ok. 10°C (zimna woda wodociągowa), lecz od ok. 30°C. Ostatecznie możemy liczyć na 50% mniejsze zużycie energii (ciepła za które płacimy) w skali roku.

Ile kolektorów słonecznych do podgrzewania wody?

Trzeba podkreślić, że powiększenie systemu, czyli założenie większej liczby kolektorów słonecznych, niewiele tu zmieni. Po prostu przy słabym nasłonecznieniu i w chłodne dni temperatura płynu solarnego w kolektorach będzie niska. W efekcie w małej instalacji będziemy w stanie podgrzać np. 200 l wody do 30°C, natomiast w układzie z dwa razy większą liczbą kolektorów podgrzejemy dwa razy tyle (400 l), jednak nadal tylko do 30°C. To ograniczenie wynika właśnie z niskiej temperatury płynu płynącego wówczas przez kolektory.

Kolektory słoneczne w tani sposób podgrzewają ciepłą wodę użytkową. Typowa instalacja w domu składa się z 2 lub 3 kolektorów oraz zbiornika o pojemności 300 litrów, fot. Galmet

Płynie stąd zasadniczy wniosek, iż nie warto przesadzać z liczbą kolektorów słonecznych. Dla czterech osób zwykle wystarczają 2 lub 3 sztuki. Jeżeli będzie ich więcej, to i tak nie będziemy mieć bardziej gorącej wody jesienią i zimą. Problemem może być natomiast konieczność zagospodarowywania nadmiaru ciepła w sezonie letnim. Trzeba je przecież odebrać i gdzieś przekazać. Inaczej kolektorom będzie grozić przegrzanie i będą musiały zadziałać zabezpieczenia przed nadmiernym wzrostem ciśnienia.

Dlatego niezbędny jest umiar. Ciepło z więcej niż 2 lub 3 kolektorów zagospodaruje tylko albo duża rodzina (powyżej 4 osób), lub właściciel basenu. Taki basen ma objętość kilkudziesięciu metrów sześciennych, czyli kilkudziesięciu tysięcy litrów. To więc zupełnie inna skala, niż zasobnik 300 l c.w.u. zalecany dla 4 osób.

Należy też przestrzec przed próbami wykorzystywania dużych instalacji solarnych (np. 20 kolektorów) do ogrzewania domu. Nieprzypadkowo nie jest to rozwiązanie popularne w naszym klimacie. Taki system będzie raczej źródłem poważnych kłopotów.

Czy słońcem można ogrzewać dom w Polsce?

Wprawdzie wykorzystywanie kolektorów słonecznych jest technicznie możliwe również do ogrzewania budynku, ale w naszym kraju praktycznie się takich systemów nie wykonuje. Dzieje się tak przynajmniej z trzech zasadniczych względów:

• niskiej efektywności w sezonie zimowym;
• wysokich kosztów inwestycji, które rosną mniej więcej proporcjonalnie do liczby zastosowanych solarów;
• kłopoty z zagospodarowaniem nadmiaru ciepła w okresie letnim (poza sezonem grzewczym).

W praktyce możemy mówić raczej o dogrzewaniu wnętrz w tzw. okresach przejściowych, czyli wiosną i jesienią. W środku zimy nawet bardzo duża instalacja solarna nie jest w stanie podgrzewać wody do wystarczająco wysokiej temperatury. Co oznacza ponad 30°C, jeżeli mamy niskotemperaturowe ogrzewanie podłogowe, oraz minimum 50°C w układzie z typowymi grzejnikami ściennymi.

Tu w pewnym sensie wracamy do punktu wyjścia. Trzeba zacząć od zwrócenia uwagi na kwestię kosztów eksploatacyjnych przygotowywania ciepłej wody, nakładów niezbędnych, aby zbudować określoną instalację, oraz tego aby taki system działał bezawaryjnie i nie wymagał nadzoru i obsługi. O ile zarówno układ z pompą ciepła, jak i niewielki system solarny wypadają korzystnie w każdej z tych kategorii, to o instalacji z dużą liczbą kolektorów słonecznych nie da się już tego powiedzieć. Jest ona przypadkiem szczególnym i tylko w specyficznych warunkach jej wykonanie będzie miało sens.

Fot. otwierająca: Adobe Stock