Jakie korzyści są z posiadania kolektora słonecznego?

Majster Guru:- A gdzież tam! Kolektory wywodzą się w prostej linii ze stosowanych od dawna w krajach basenu Morza Śródziemnego ogrzewaczy wody, konstruowanych z pomalowanej na czarno wężownicy i drewnianej obudowy. Działanie typowej instalacji solarnej - proszę zerknąć na rysunek - jest w sumie banalnie proste. Nośnikiem energii jest tzw. płyn solarny, pod którą to dumną nazwą kryje się wodny roztwór glikolu - chodzi o to, by ciecz nie zamarzła w temperaturze poniżej zera. Płyn ten pompa zainstalowana np. w kotłowni tłoczy do kolektora. Tam ogrzewa się on i wraca rurą powrotną do domu, gdzie oddaje ciepło w wężownicy zbiornika ciepłej wody użytkowej (c.w.u.).

- W naszym klimacie roczny zysk energetyczny z instalacji solarnej wynosi po uwzględnieniu rozmaitych strat 400-500 kWh na m2 powierzchni kolektora. To brzmi dobrze, ale jest i zła wiadomość - ponad 75% tej energii możemy odebrać od maja do września. Co więcej, nawet w tym okresie kolektory nie gwarantują stałej dostawy energii cieplnej, bo słońce potrafi być przesłonięte chmurami nawet kilka dni z rzędu.

- Nie, zwykle podgrzewa ją kocioł przyłączony do drugiej, górnej wężownicy zbiornika c.w.u. Tzw. zbiorniki solarne prawie zawsze mają tę drugą wężownicę, gdyż w przypadku instalacji solarnej regułą jest praca w układzie biwalentnym, czyli w parze z drugim źródłem energii, włączanym wtedy, kiedy słońce "nie daje rady". Najczęściej jest to właśnie kocioł, a w ostateczności - bo wie pan już przecież, że energia elektryczna kosztuje najwięcej - grzałka elektryczna, zamontowana mniej więcej w połowie wysokości zbiornika. Proszę zwrócić uwagę na genialną w swej prostocie konstrukcję solarnego zbiornika c.w.u.

Jeśli słońca jest dość, to ponieważ ciepła woda unosi się do góry, dolna wężownica ogrzewa cały zbiornik. Ciepło jest również przy górnej wężownicy, więc kocioł się nie włącza. Gdy ciepła słonecznego jest za mało, kocioł za pośrednictwem górnej wężownicy ogrzewa jedynie 35-50% pojemności zbiornika, na bieżące potrzeby, ponieważ nie ma sensu magazynować wody ogrzewanej przez kocioł, bo skutkowałoby to dodatkowymi startami ciepła.

Co więcej, jeśli jesienią czy zimą kolektory zdołają ogrzać wodę jedynie do np. 25 stopni, to nie możemy powiedzieć, że nie spełniają swojej roli. Kocioł będzie bowiem jedynie dogrzewał wodę o brakujące 15-20 stopni, a więc zużyje o połowę mniej energii niż w sytuacji, gdyby musiał grzać zimną wodę z wodociągu.

- Mówiąc z inżynierską precyzją: w naszych warunkach klimatycznych ich głównym zastosowaniem jest wspomaganie wytwarzania ciepłej wody użytkowej. Na prawie całkowite pokrycie zapotrzebowania na ciepłą wodę liczyć można w sezonie wiosenno-letnim, natomiast w zimie udział energii słonecznej będzie wynosił co najwyżej 10-15%.

- Nie radzę - to często popełniany błąd! Zwiększy to nieco wydajność instalacji wiosną i jesienią, natomiast zimą zysk energetyczny będzie i tak znikomy. Z kolei w okresie letnim większa niż potrzebna ilość ciepłej wody na nic się nie przyda, za to pojawią się problemy z przegrzewaniem zbiornika i całej instalacji. Ponadto instalacja większa, czyli droższa, będzie amortyzować się dłużej, a dodatkowe koszty generować będzie konieczność odbioru nadmiarowego ciepła. Przeciętnej, czteroosobowej rodzinie do podgrzewania wody wystarczą 2-3 kolektory o powierzchni ok. 4-5 m2 (próżniowe) lub 5-7 m2 (płaskie) i tego radzę się trzymać. Gdy mieszkańców jest mniej lub więcej - wartości te trzeba odpowiednio przeliczyć.

- Zapomina pan, że najwięcej energii z kolektorów słonecznych dostajemy nie wtedy, kiedy dom się ogrzewa, ale wtedy, kiedy trzeba go chłodzić. Spożytkowanie ciepła słonecznego nawet nie do ogrzewania, ale do wspomagania ogrzewania jest mocno problematyczne. Aby pozyskana ze słońca energia cieplna mogła w okresie zimy stanowić znaczący udział w bilansie energetycznym budynku, trzeba zainstalować wielokrotnie więcej kolektorów niż do podgrzewania c.w.u. - przynajmniej 30 m2 dla domu o powierzchni 150 m2. Oznacza to bardzo wysokie koszty inwestycji.

Po drugie - jak dużego pola kolektorów byśmy nie zainstalowali, to i tak temperatura wody przez nie podgrzanej nie przekroczy zimą 40-45°C, a to oznacza, że ciepło można wykorzystać jedynie w systemie ogrzewania płaszczyznowego - tak jak w systemie z pompą ciepła.

Po trzecie - duża moc kolektorów stwarza problem, co zrobić z nadmiarem ciepła latem. Można je przeznaczyć do podgrzewania wody w ogrodowym basenie, ale taki basen to u nas rzadkość. Inna możliwość to regeneracja dolnego źródła pompy ciepła, jednak to też sytuacja nieczęsta. Odpowiadając więc wprost na pańskie pytanie: budowa instalacji solarnej do wspomagania ogrzewania to przedsięwzięcie ryzykowne, szczególnie w zestawieniu ze sprawdzonymi rozwiązaniami o porównywalnych kosztach, np. pompą ciepła.

- W wielu sytuacjach na pewno tak. Niedroga instalacja do podgrzewu c.w.u. jest uzasadniona zwłaszcza w przypadku ogrzewania budynku kotłem na paliwo stałe, z tych samych względów, które omówiliśmy już, rozmawiając o pompach ciepła do c.w.u. Kolektory będą nieco bardziej kłopotliwe w montażu niż pompa, za to woda będzie podgrzewana prawie za darmo, co szczególnie w wypadku większego zapotrzebowania - na przykład gdy w domu mieszka rodzina wielopokoleniowa - może mieć znaczenie.

- Wybór rodzaju kolektorów zależy od tego, jakie będzie przeznaczenie instalacji solarnej. Prosty podział na kolektory płaskie i próżniowe nie jest zresztą precyzyjny, gdyż istnieją też płaskie kolektory z próżniową izolacją termiczną oraz kolektory rurowe niemające izolacji próżniowej. Dla wygody możemy jednak pozostać przy tradycyjnym nazewnictwie, obejmującym większość produktów powszechnie dostępnych.

- Jest pan bardzo dociekliwym inwestorem, nie pozostaje mi więc nic innego, jak zaspokoić pańską ciekawość. Proszę, tu mamy schemat konstrukcyjny kolektora płaskiego. Pod przezroczystą szklaną taflą znajduje się absorber - metalowa płyta nagrzewana przez promienie słoneczne. Ciepło odbierają od niej miedziane rurki, w których przepływa tzw. płyn solarny. Co zrozumiałe, rurki te trzeba zabezpieczyć przed wychładzaniem (stąd konieczność odpowiedniego termoizolowania), a całość umieścić w obudowie. To wydaje się dość banalne, ale dla trwałości i sprawności kolektora istotne są wszystkie elementy składowe.

Na przykład szkło może być pokryte rozmaitymi powłokami antyrefl eksyjnymi, które zapobiegają odbijaniu promieni słonecznych. Ważna jest też wytrzymałość szkła na uderzenie, deformację itd. Kluczowe znaczenie ma absorber, który musi dobrze przewodzić ciepło i być plastyczny. Wymagania te świetnie spełnia blacha miedziana, ale ona w stanie naturalnym pochłania jedynie niewielką część padającego na nią promieniowania słonecznego. Niech pan zgadnie, ile?

- Dużo mniej - zaledwie ok. 10 proc.! Dopiero pokrycie jej odpowiednimi powłokami zwiększa zdolność do pochłaniania energii nawet do 90-95 proc.! Lecz to nie koniec wyzwań dla konstruktorów. Obiegająca absorber rura z płynem solarnym może mieć różny kształt, określany takimi pojęciami, jak harfa, meander itp. - wpływa to na opory przepływu, a w praktyce eksploatacyjnej także na łatwość napełniania, opróżniania i odpowietrzania kolektora.

Ważna jest izolacja termiczna, zarówno pod względem jakości i grubości użytego materiału, jak też sposobu zabezpieczenia przed ucieczką ciepła w miejscach najbardziej wrażliwych, np. przejściach przez obudowę. I wreszcie ogromnie istotna jest sama obudowa, choćby dlatego, że jej sztywność musi gwarantować, że szkło kolektora nie rozpryśnie się na kawałki przy pierwszej okazji. Najlepsze są tzw. wanny tłoczone z jednego kawałka metalu, ale - jak łatwo się domyślić - są one najdroższe.

- Fakt, w każdym razie skomplikowanie konstrukcji tłumaczy, dlaczego na rynku znajdziemy tak wiele kolektorów różniących się ogromnie zarówno ceną, jak też wydajnością i trwałością. Jednak różnorodność kolektorów rurowych jest jeszcze większa! Wie pan, jak powstały?

- Jak wspomnieliśmy, dla sprawności kolektora kluczowe znaczenie ma chroniąca przed ucieczką ciepła izolacja termiczna. A ponieważ najlepszą warstwą izolacyjną jest próżnia, to próbowano budować kolektory o szczelnej obudowie, z której wnętrza wypompowywano powietrze. Były one jednak nietrwałe. Aż w końcu ktoś wpadł na pomysł "pocięcia" kolektora płaskiego na sekcje, które umieszczono w oddzielnych rurach próżniowych. Wymyślono też dodatkowe zwierciadła, kierujące promieniowanie słoneczne na absorber. W rezultacie kolektor rurowy ma nie tylko większą sprawność w niskiej temperaturze otoczenia, lecz także lepiej przechwytuje światło rozproszone. Ponadto poszczególne rury można ustawiać niezależnie od całego kolektora, co bardzo przydaje się tam, gdzie nie da się go zamontować optymalnie, czyli "frontem do słońca". Jest też możliwość naprawy kolektora poprzez wymianę pojedynczych, uszkodzonych rur.

- A pan koniecznie chce zapłacić za cud techniki, czy możliwie tanim kosztem pozyskiwać ciepło? Kolektory rurowe są o 20-30% droższe od płaskich porównywalnych pod względem mocy nominalnej, a to znacznie wydłuża okres zwrotu inwestycji w instalację solarną. W praktyce, jeżeli nie ma znaczenia, że oszczędności na kosztach przygotowania c.w.u. osiągane będą głównie późną wiosną, latem i wczesną jesienią, to nic nie uzasadnia użycia kolektorów rurowych, bo płaskie sprawdzą się równie dobrze.

W przypadku dogrzewania wody w basenie są nawet efektywniejsze. Kolektory rurowe mogą zapewnić nieco większe oszczędności na kosztach podgrzewania wody w skali całego roku, za to okres zwrotu inwestycji będzie dłuższy. Nawet w instalacjach do wspomagania ogrzewania, gdy ważna jest sprawność zimą, stosuje się oba typy kolektorów. Próżniowe są efektywniejsze, ale różnicę można skompensować, montując więcej kolektorów płaskich, co wobec różnicy w cenie bywa w przypadku dużych instalacji opłacalne.

- Nie inaczej, zresztą uwaga inwestorów skupia się najczęściej na kolektorach, ale co najmniej równie istotny jest wybór odpowiedniego zasobnika 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 daje 300-400 l. Oszczędzanie nie ma sensu, bo zbyt mały zbiornik nie zmagazynuje odpowiedniej ilości ciepła, więc nawet latem przy słonecznej pogodzie wodę będzie musiał dogrzewać kocioł.

Z kolei kupowanie za dużego zbiornika też do niczego dobrego nie prowadzi, bo w okresach przejściowych - wiosną i jesienią - woda będzie ogrzewana niewystarczająco, co także zmusi kocioł do pracy. Zresztą całą konfigurację instalacji solarnej warto dobrze przemyśleć, ja szczególnie polecam układ bezciśnieniowy.

- Jego działanie nieźle wyjaśnia angielskie określenie drain back. W klasycznej instalacji solarnej płyn znajduje się pod ciśnieniem i wypełnia ją całą, oprócz oczywiście naczynia wzbiorczego. W systemie bezciśnieniowym pompa pobiera płyn ze zbiornika i wysyła do kolektora, skąd spływa on na dół siłami grawitacji i - po przepłynięciu przez wężownicę - znów jest zasysany przez pompę. Instalację tego rodzaju nieco trudniej wykonać, odpadają za to problemy ze szczelnością pod ciśnieniem i odpowietrzaniem. I, co najważniejsze, nie ma groźby przegrzania zasobnika c.w.u. ani zagotowania płynu w kolektorach, bo kiedy ciepła jest już dosyć, pompa po prostu kończy pracę i cały płyn solarny spływa na dół do zbiornika.